DE10116019B4

DE10116019B4 - Sensor sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10116019B4
Application number: DE10116019A
Authority: DE
Inventors: Klaus Walter; Guenter Escher; Juergen Toepfer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: FR2822947B1; US20020172000A1; DE10116019A1; FR2822947A1; JP2003008241A

Abstract

Sensor, insbesondere zur berührungslosen Erfassung von Messgrößen, mit einem Halteteil (2), an dem eine Elektronik (6) angeordnet ist, und einem becherartigen Element (4), in welchem die Elektronik (6) aufgenommen ist, wobei das Halteteil (2) oder am oberen Bereich das becherartige Element (4) eine seitliche Einfüllöffnung (8) zum Einfüllen eines Materials für einen Verguss (5) aufweist, sodass die Elektronik (6) im becherartigen Element (4) durch den Verguss (5) eingebettet ist und das becherartige Element (4) am Halteteil (2) durch den Verguss (5) befestigt ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor bzw. eine Messvorichtung, insbesondere zur berührungslosen Erfassung einer Drehzahl bzw. eines Drehwinkels, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors.
Sensoren sind in vielgestaltigen Ausführungsformen bekannt. Üblicherweise sind Sensoren derart aufgebaut, dass die Sensorelektronik von einer aus Kunststoff bestehenden Spritzgussmasse ummantelt ist. Derartige Sensoren sind einfach aufgebaut und können kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere bei der Verwendung derartiger Sensoren in Kraftfahrzeugen ist jedoch nachteilig, dass die jeweiligen Kraftfahrzeughersteller insbesondere spezifische Steckanschlüsse oder Einbaugeometrien vorschreiben, so dass für jeden Kraftfahrzeughersteller eine eigene Spritzgussform für den Sensor notwendig ist. Dies verteuert die Herstellung der jeweiligen Sensoren, da für jeden Kunden ein anders ausgestalteter Sensor notwendig ist.
Weiterhin werden derartige Sensoren in Kraftfahrzeugen zum Teil unter extremen Umgebungsbedingungen, z.B. bei hohen Temperaturen oder in Kontakt mit externen Medien (z.B. Öl, Kraftstoff) eingesetzt. Insbesondere ist beispielsweise ein Getriebesensor ständig vom Getriebeöl umgeben. Daher müssen derartige Spritzgussummantelungen aus einem medienbeständigen Material hergestellt werden, welches die Herstellungskosten verteuert, da die Verwendung eines kostengünstigen Kunststoffes ein Durchdiffundieren des Mediums durch die Ummantelung zur Elektronik nicht verhindern könnte und der Sensor somit zerstört würde.
Um Temperatureinflüsse zu minimieren, wird beispielsweise in der EP 0 632 897 B1 ein Sensor vorgeschlagen, bei dem Teile der Elektronik von einem Körper aus temperaturbeständigem Material umgeben sind. Ein derartiger Sensor ist jedoch in seiner Herstellung sehr teuer.
In der Schrift DE 299 16 221 U1 wird ein Kurbelwellengeber beschrieben, bei dem zuerst die Vergussmasse in ein Schutzhülsenelement eingesetzt wird. Anschließend wird der Kunststoffgrundkörper mit dem Sensorelement eingesetzt. Da während des Einsetzvorgangs Vergussmasse entweicht, ist das Schutzhülsenelement nicht vollständig gefüllt, so dass nach wie vor Hohlräume vorhanden sind. Ferner wird der Kunststoffgrundkörper mit Hilfe einer Ring-Schnapp-Verbindung an der Schutzhülse festgehalten.
Auch bei der Ausbildung nach der DE 196 186 31 A1 ist kein modularer Aufbau möglich. Die Elektronik ist nicht einsetzbar, sondern muss vorher in eine der beiden Halbschalen eingesetzt werden. Mit Hilfe einer zweiten Halbschale wird das Gehäuse geschlossen und über eine Öffnung mit Kunststoff ausgefüllt. Es ergeben sich hierbei Dichtungsprobleme bei der Kabelzuführung.
Der Positionssensor nach der DE 195 04 608 A1 weist ein Rohr auf, in dem die auf einer Platte befindliche Elektronik angeordnet ist. Das Rohr ist oben und unten abgeschlossen. Über kleine, an der Stirnseite ausgebildete Zwischenräume wird mittels hohem Druck und hoher Temperatur ein Duroplastmaterial in das Rohrinnere hineingedrückt. Auf der den Zwischenräumen gegenüberliegenden Stirnseite ist eine mit einer Dichtungs- oder Klebemasse versehene Steckerbuchse angeordnet, um dort einen flüssigkeits- oder gasdichten Abschluss zu erreichen.
Der Positionssensor nach der DE 195 44 815 C1 weist ein mit Thermoplast-Formmasse angefülltes Gehäuse auf. Auch hier sind zur Abdichtung zusätzliche Dichtungen vorhanden.
Beim Sensor nach der DE 195 46 865 C1 ist kein Becher vorhanden, sondern ein mehrteilig aufgebautes Bauteil. Die Flüssigkeit wird über eine Öffnung eingefüllt, anschließend wird das Bauteil geschwenkt, um alle Teile zu benetzen und einzubetten. Das Bauteil ist hierbei nicht vollständig mit Flüssigkeit aufgefüllt. Zum Verschluss wird ein Stöpsel in die Öffnung eingesetzt. Auch hier gibt der unterschiedliche, spezielle Aufbau keine Hinweise auf den Anmeldungsgegenstand.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor hat demgegenüber den Vorteil, dass er auch unter extremen Bedingungen wie z.B. im Getriebe, eingesetzt werden kann, wobei er trotzdem kostengünstig herstellbar ist. Dies wird insbesondere durch einen modularen Aufbau des Sensors erreicht, welcher aus einem Halteteil, einem becherartigen Element, der Sensorelektronik und einem separaten Verguss aufgebaut ist. Aufgrund des modularen Aufbaus können das becherartige Element und die Sensorelektronik immer gleich aufgebaut werden, und das Halteteil kann jeweils an die kundenspezifischen Anforderungen, z.B. für einen Steckeranschluss o.ä., ausgebildet sein. Die Elektronik des Sensors wird dabei im becherartigen Element aufgenommen und anschließend durch einen Verguss mittels eines Gießharzes sicher im becherartigen Element eingebettet. Es sei angemerkt, dass erfindungsgemäß unter einem becherartigen Element ein Element mit einem Boden und im Wesentlichen senkrecht dazu angeordneten Wandteilen verstanden wird. Die Elektronik des Sensors kann dabei vollständig oder auch nur teilweise in dem becherartigen Element aufgenommen sein.
Um einen Einsatz des Sensors insbesondere bei extremen Umgebungsbedingungen, wie z.B. in einem Getriebe, zu ermöglichen, ist das becherartige Element vorzugsweise aus einem medienbeständigen Kunststoff und insbesondere aus einem ölbeständigen Kunststoff ausgebildet, welcher ein Diffundieren des Mediums durch den Kunststoff zum elektronischen Bauteil verhindert.
Vorzugsweise umfasst die Elektronik des Sensors ein Hall-Element.
Besonders bevorzugt ist das Hall-Element unmittelbar am Boden des becherartigen Elements angeordnet. Dadurch ist der Abstand zwischen dem Hall-Element und beispielsweise einem Getriebezahnrad relativ gering, da zwischen ihnen nur der Becherboden sowie der Abstand zwischen dem Becherboden und dem Zahnrad liegt. Somit können sehr genaue Signale aufgenommen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Einfüllöffnung zum Einfüllen des Gussmaterials für den Verguss seitlich am Halteteil oder am oberen Rand des becherartigen Elements angeordnet. Dadurch ist es möglich, dass der Verguss im becherartigen Element eine große Höhe erreicht, so dass die Elektronik des Sensors sicher im Verguss eingebettet ist. Da erfindungsgemäß auch für Sensoren unterschiedlicher Kunden innerhalb von Sensorfamilien immer das gleiche becherartige Element sowie die gleiche Elektronik verwendet werden kann, ist für alle kundenspezifisch hergestellten Sensoren die Vergussmenge immer gleich. Dadurch ergeben sich große herstellungsbedingte Vorteile.
Vorzugsweise sind das Halteteil und das becherartige Element durch den ausgehärteten Verguss miteinander befestigt. Es sei angemerkt, dass das Halteteil und das becherartige Element auch z.B. mechanisch mittels Rastnasen oder durch Anordnung eines Dichtrings und anschließendem Verklemmen zwischen dem Halteteil und dem becherartigen Element befestigt werden kann. Zusätzlich zu den oben beschriebenen mechanischen Verbindungsarten zwischen dem Halteteil und dem becherartigen Element kann schließlich noch der ausgehärtete Verguss die Verbindung weiter festigen.
Besonders bevorzugt weist der erfindungsgemäße Sensor eine Länge von ≥ 30mm auf. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die gesamte Elektronik des Sensors im becherartigen Element aufgenommen ist und im Halteteil nur noch Verbindungsleitungen zum Steckeranschluss geführt werden müssen.
Besonders bevorzugt wird das Halteteil mittels Spritzgießen hergestellt. Dadurch ist es sehr kostengünstig herstellbar. Besonders bevorzugt wird dabei als Kunststoff PA66 verwendet.
Besonders bevorzugt wird der erfindungsgemäße Sensor als Getriebesensor ausgebildet, welcher ständig im Kontakt mit dem Getriebeöl ist. Bei der Verwendung als Getriebesensor lassen sich im Vergleich mit dem Stand der Technik sehr große Kosteneinsparungen realisieren.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Sensors bzw. einer Messvorrichtung wird zuerst das Halteteil z.B. mittels Kunststoffspritzen hergestellt. Besonders bevorzugt werden dabei gleich die Verbindungsleitungen zur Elektronik und die Steckkontakte mit eingespritzt. Anschließend wird die Elektronik am Halteteil befestigt und das separat hergestellte becherartige Element über die Elektronik geschoben. Dabei wird das becherartige Element am Halteteil z.B. mittels Klemmen oder mittels Rastnasen befestigt. Somit wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein vormontiertes Bauteil erhalten, welches aus dem Halteteil, der Elektronik und dem becherartigen Element besteht. Das derart vormontierte Bauteil wird in einem nächsten Verfahrensschritt schräggestellt und anschließend wird die Elektronik im becherartigen Element mittels eines Vergussmaterials, wie z.B. Kunststoff oder Harz, vergossen. Dadurch ist die Elektronik sicher im becherartigen Element eingebettet und von der Vergussmasse umschlossen. Durch das Schrägstellen des vormontierten Bauteils wird sichergestellt, dass die Vergussmasse kontinuierlich am Rand des becherartigen Elements bzw. der Elektronik entlangfließen kann. Erfindungsgemäß erfolgt das Vergießen somit bei montiertem becherartigem Element am Halteteil. Dabei kann auch zwischen dem becherartigen Element und dem Halteteil vorzugsweise noch eine zusätzliche Fixierung der beiden Teile zueinander von außen vorgesehen werden.
Besonders bevorzugt ist an einem seitlichen, mittleren Bereich des vormontierten Bauteils eine Einfüllöffnung zum Einfüllen der Vergussmasse vorgesehen. Dadurch kann eine besonders kurze Einfüllzeit der Vergussmasse verwirklicht werden. Weiterhin wird durch die Kombination des Schrägstellens des vormontierten Bauteils und der an einem seitlichen mittleren Bereich angeordneten Einfüllöffnung die Elektronik sicher im becherartigen Element eingebettet werden. Dadurch wird auch sichergestellt, dass nur eine relativ geringe Menge an Vergussmaterial verwendet werden muss, so dass auch die Aushärtzeit für das Vergussmaterial sehr kurz ist.
Besonders bevorzugt ist die Einfüllöffnung zwischen dem becherartigen Element und dem Halteteil ausgebildet. Dabei kann am Halteteil vorzugsweise eine Aussparung o.ä. vorgesehen werden, welche dann im montierten Zustand des becherartigen Elements am Halteteil als Einfüllöffnung dient.
Vorzugsweise ist das vormontierte Bauteil zum Eingießen des Vergussmaterials in einem Winkeln von ca. 15° schräggestellt. Dadurch lassen sich besonders gute Fließeigenschaften des Vergussmaterials erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erfolgt das Vergießen der Elektronik im becherartigen Element unter Vakuum.
Besonders bevorzugt erfolgt beim Vergießen auch ein Auffüllen eines Innenbereichs des Halteteils mit der Vergussmasse. Dadurch kann insbesondere eine zusätzliche Verbindung zwischen dem Halteteil und dem becherartigen Element realisiert werden.
Erfindungsgemäß wird somit ein modular aufgebauter Sensor bereitgestellt, welcher insbesondere auch zur Verwendung bei aggressiven Umweltbedingungen geeignet ist. Der Sensor ist relativ einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. Weiterhin können auf einfache Weise kundenspezifische Anschlussgeometrien des Sensors verwirklicht werden. Darüber hinaus ermöglicht das becherartige Element eine hohe mechanische Stabilität des Sensors, da die Sensorelektronik vollständig im becherartigen Element aufgenommen sein kann und durch dieses geschützt ist. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Verfahren der Sensor besonders kostengünstig hergestellt werden.
Besonders bevorzugt ist das becherartige Element als rotationssymmetrischer Becher, d.h. mit einer Zylindermantelform und einem Boden ausgebildet.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt eine zur 1 gedrehte perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Sensors und
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Elektronik des erfindungsgemäßen Sensors.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In den 1 bis 3 ist ein Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der Sensor 1 ein Halteteil 2 sowie einen zylindrischen Becher 4. An einem Ende des Halteteils 2 ist ein Steckeranschluss 3 mit Kontakten vorgesehen. Weiterhin ist am Halteteil 2 eine Einfüllöffnung 8 vorgesehen, durch welche ein Kunststoff zum Herstellen eines Vergusses eingeführt werden kann, was später beschrieben wird.
In 3 ist die Elektronik 6 des Sensors 1 genauer dargestellt. Die Elektronik 6 umfasst ein Hall-Element 7, welches sich an einem Ende der Elektronik befindet. Die Elektronik 6 wird in den Becher 4 derart eingeschoben, dass sich das Hall-Element 7 am Becherboden befindet. Dadurch ist der Abstand zwischen z.B. einem Zahnrad und dem Hall-Element 7 sehr gering, da dazwischen nur noch der Becherboden sowie der Abstand zwischen dem Becherboden und dem Zahnrad liegt. Somit können sehr genaue Signale aufgenommen werden. Die Elektronik 6 kann dabei mit am Halteteil 2 angeordneten Kontakten z.B. mittels Löten oder Laserschweißen verbunden werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Becher 4 derart gebildet, dass die Elektronik 6 vollständig im Becher 4 aufgenommen werden kann. Somit sind im Halteteil 2 nur noch Verbindungsleitungen zum Steckeranschluss 3 eingespritzt. Es sei angemerkt, dass besonders bevorzugt die Elektronik samt Steckeranschluss 3 hergestellt wird und das Halteteil 2 anschließend derart umspritzt wird, dass der vordere Bereich der Elektronik 6 freiliegt. Dann kann auf einfache Weise der Becher 4 über die Elektronik 6 geschoben werden und beispielsweise an vorgesehenen Rastnasen am Halteteil oder mittels Klemmen befestigt werden.
Anschließend erfolgt ein Vergießen der Elektronik 6 im Becher 4 durch Einführen einer Vergussmasse durch die Einfüllöffnung 8. Hierzu wird das aus dem Becher 4, der Elektronik 6 und dem Halteteil 3 bestehende vormontierte Bauteil um ca. 15° schräggestellt, so dass die Einfüllöffnung 8 nach oben gerichtet ist. Anschließend wird die Vergussmasse durch die Einfüllöffnung 8 in den Becher 4 eingegossen, so dass die Elektronik 6 vollständig von der Vergussmasse umgeben ist. Dabei fließt die Vergussmasse aufgrund der Schwerkraft nach unten in den Becher. Nach dem Aushärten der Vergussmasse ist die Elektronik 6 sicher eingebettet. Der Becher 4 stellt dabei eine hohe mechanische Stabilität bereit.
Durch die Kombination des Schrägstellens des vormontierten Bauteils sowie des Vorsehens der Einfüllöffnung 8 in einem mittleren Bereich des Sensors zwischen dem Halteteil 2 und dem Becher 4 können insbesondere lange Sensoren mit einer Länge von ≥ 30 mm sehr gut vergossen werden. Das Schrägstellen des vormontierten Bauteils erleichtert dabei die Verteilung der Vergussmasse im becherartigen Element, so dass die Elektronik vollständig und sicher von der Vergussmasse eingebettet ist.
In 1 ist in der teilweise geschnittenen Ansicht der ausgehärtete Verguss 5 dargestellt, welcher die Elektronik 6 umgibt.
Erfindungsgemäß kann dabei das Halteteil 2 mittels Kunststoffspritzen kostengünstig hergestellt werden. Dabei ist es auch möglich, den Steckeranschluss bzw. das Halteteil 2 an kundenspezifische Anforderungen anzupassen und je nach Kunden ein eigenes Halteteil 2 zu spritzen. Die restlichen Bauteile des erfindungsgemäßen Sensors sind dann kundenunabhängig.
Um einen Einsatz beispielsweise als Getriebesensor zu ermöglichen, ist der Becher 4 aus einem medienresistenten Material hergestellt. Dadurch kann verhindert werden, dass das Getriebeöl durch den Becher 4 hindurch diffundiert und die Elektronik des Sensors 1 schädigt.
Somit wird erfindungsgemäß ein kostengünstiger Sensor zur berührungslosen Aufnahme von Signalen bereitgestellt, welcher insbesondere auch für Sensoren mit einer relativ großen Baulänge größer als ca. 30 mm verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors bei derartigen Baulängen ist, dass Temperaturschockerprobungen am Sensor auch bei unterschiedlichen Baulängen und Sensoren für unterschiedliche Kunden durchgeführt werden können, da der untere Teil des Sensors mit dem Becher 4 jeweils für unterschiedliche Sensoren gleich ausgebildet ist und das Halteteil 2 variabel ausgestaltet ist. Dies ermöglicht einen standardisierten Versuchsablauf mit einer Standardapparatur für alle Sensoren.
Weiterhin muss bei einem Einsatz bei extremen Umgebungsbedingungen nur der Becher 4 aus einem derartigen (teueren) Material hergestellt werden, welches den vorhandenen Umgebungsbedingungen widersteht, ohne dass die Elektronik des Sensors geschädigt wird.
Demnach wird erfindungsgemäß ein Sensor 1 bereitgestellt, welcher ein Halteteil 2, eine Elektronik 6 und ein becherartiges Element 4 aufweist. Die Elektronik 6 des Sensors ist im becherartigen Element 4 aufgenommen, wobei die Elektronik 6 im becherartigen Element 4 in einem Verguss 5 eingebettet und abgedichtet ist. Das becherartige Element 4 ist dabei am Halteteil 2 befestigt. weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors bereitgestellt.
Die vorhergehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Sensor, insbesondere zur berührungslosen Erfassung von Messgrößen, mit einem Halteteil (2), an dem eine Elektronik (6) angeordnet ist, und einem becherartigen Element (4), in welchem die Elektronik (6) aufgenommen ist, wobei das Halteteil (2) oder am oberen Bereich das becherartige Element (4) eine seitliche Einfüllöffnung (8) zum Einfüllen eines Materials für einen Verguss (5) aufweist, sodass die Elektronik (6) im becherartigen Element (4) durch den Verguss (5) eingebettet ist und das becherartige Element (4) am Halteteil (2) durch den Verguss (5) befestigt ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das becherartige Element (4) aus einem medienbeständigen Kunststoff, insbesondere einem ölbeständigen Kunststoff hergestellt ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (6) des Sensors ein Hall-Element (7) umfasst.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hall-Element (7) unmittelbar am Boden des becherartigen Elements (4) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Länge von ≥ 30 mm aufweist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteteil (2) mittels Spritzgießen hergestellt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als Getriebesensor ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors, umfassend die Schritte des Herstellens eines Halteteils (2), insbesondere mittels Kunststoffspritzen, und das Herstellen eines becherartigen Elements (4), des Anordnens einer Elektronik (6) am Halteteil (2), des Einführens der Elektronik (6) in das becherartige Element (4), um ein vormontiertes Bauteil zu erhalten, des Schrägstellens des vormontierten Bauteils und des Vergießens der Elektronik (6) im becherartigen Element (4) im schräggestellten Zustand über eine an einem seitlichen, mittleren Bereich des vormontierten Bauteils ausgebildete Einfüllöffnung (8) mittels eines Vergussmaterials, sodass die Elektronik (6) im becherartigen Element (4) eingebettet ist und das becherartige Element (4) am Halteteil (2) befestigt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfüllöffnung (8) zwischen dem becherartigen Element (4) und dem Halteteil (2) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das vormontierte Bauteil um einen Winkel von ca. 15 Grad schräggestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergießen des Vergussmaterials unter Vakuum erfolgt.