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Die Erfindung betrifft eine redundante Sensoreinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoreinheit. Die Sensoreinheit kann beispielsweise als Drehzahlsensor für ein Fahrzeugrad oder für eine drehbare Welle im Fahrzeug eingesetzt werden.
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Aus der
DE 102 22 204 A1 sind eine Halterung für eine Sensoreinheit und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit bekannt. Hierbei werden in einem ersten Arbeitsgang ein Sensorelement und eine Auswerteelektronik durch Schweißen, Löten, Crimpen oder Kleben elektrisch und mechanisch an Stromschienen befestigt, welche über Verbindungsstege miteinander verbunden sind. In einem zweiten Arbeitsgang werden die Stromschienen mit den an ihnen gehaltenen Elementen in ein Spritzwerkzeug eingelegt und in einem ersten Spritzvorgang mit Kunststoff umspritzt. In einem dritten Arbeitsgang werden die Verbindungsstege entfernt. In einem vierten Arbeitsgang werden an den aus dem Gehäuse herausragenden Enden der Stromschienen, welche einen externen Anschluss ausbilden, jeweils eine elektrische Leitung oder auch Steckerkontakte durch Schweißen, Löten, Crimpen, oder Kleben angeschlossen. In einem abschließenden Arbeitsgang, dem sogenannten Endumspritzen wird die endgültige Außengeometrie der Sensoreinheit erzeugt und gleichzeitig werden die inneren elektronischen Bauteile vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit geschützt.
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Aus der
DE 10 2005 012 709 A1 ist ein Magnetfeldsensor, insbesondere ein Drehzahl- und/oder Drehrichtungssensor für ein Fahrzeugrad oder für den Triebstrang eines Fahrzeugs bekannt. Der Magnetfeldsensor ist insgesamt mit einer Umhüllung aus thermoplastischem Kunststoff umspritzt. Im Inneren sitzt ein ebenfalls aus thermoplastischem Kunststoff gespritzter Halter, welcher Anschmelzrippen zur sicheren Einbindung des Halters in die Umhüllung aufweist. Als thermoplastischer Kunststoff sowohl für die Umhüllung wie auch für den Halter dient jeweils der gleiche Polyamid-Werkstoff. In ein anschlussseitige Ende des Halters ist sind zwei Adern eines Anschlusskabels eingespritzt, deren abisolierte Enden mittels jeweils einer Crimpverbindung mit Stromschienen verbunden sind. Diese Stromschienen sind zunächst zur Erleichterung der Positionierung der elektrischen Anschlussteile einteilig und werden anschließend durch das Trennen der Verbindungsteile elektrisch gegeneinander isoliert. Die freien Enden der Stromschienen sind im Bereich einer fensterartigen Öffnung im Halter durch Schweißen oder Löten mit Anschlussleitungen eines IC-Sensorelementes verbunden. Zudem weist der Halter eine taschenartige Aussparung im Bereich seiner leseseitigen Stirnfläche auf, in welcher das Sensorelement eingesetzt ist und bei der abschließenden Umspritzung mit Kunststoff zumindest in Spritzdruckrichtung abgestützt und somit gegen mechanische Beschädigung geschützt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Sensoreinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 haben jeweils den Vorteil, dass die eigentliche Dichtfunktion von der Konstruktionsvarianz des Gehäuses entkoppelt ist. Dadurch ergibt sich eine funktionelle Aufteilung zwischen der Abdichtung und der Gehäuseform, so dass der Abdichtungsvorgang im ersten Spritzvorgang getrennt von der Formgebung des Gehäuses optimiert werden kann. Zudem kann die Gehäuseform unabhängig von der Abdichtung an unterschiedliche Anwendungen und Einbausituationen angepasst werden. Des Weiteren kann auf die bekannten Dichtungsrippengeometrien verzichtet werden. Die Verbindung zwischen der Kapsel und dem Gehäuse kann beispielsweise auf der Ausnutzung von Adhäsion, bipolaren Kräften oder Kovalenzbindungen oder auf einer Kombination der genannten Effekte basieren.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine redundante Sensoreinheit zur Verfügung, welche zwei Sensoren und eine Leiterplatte umfasst.
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Hierbei ist an einem ersten Endbereich der Leiterplatte mindesten eine Sensoraufnahme für die beiden Sensoren ausgebildet, und an einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich der Leiterplatte ist für jeden der Sensoren eine externe elektrische Schnittstelle für mindestens ein Anschlusskabel oder mindestens eine Steckeraufnahme ausgebildet. In einem Abschnitt zwischen den beiden Endbereichen ist für jeden der beiden Sensoren eine interne elektrische Schnittstelle zur Kontaktierung des jeweiligen Sensors ausgebildet, wobei die beiden Sensoren jeweils in der mindestens einen Sensoraufnahme gehalten und mit einer der internen elektrischen Schnittstellen kontaktiert sind. Eine spritztechnisch hergestellte Kapsel aus einem ersten Kunststoffmaterial gibt eine äußere Form eines Sensorkopfs vor und umhüllt teilweise die Leiterplatte so, dass die externen elektrischen Schnittstellen mit kontaktierten Adern des Anschlusskabels oder mit kontaktierten Kontaktelementen der Steckeraufnahme zumindest teilweise frei und zugänglich sind und die internen elektrischen Schnittstellen und die positionierten und kontaktierten Sensoren mediendicht innerhalb der Kapsel angeordnet sind. Ein spritztechnisch hergestelltes Gehäuse aus einem zweiten Kunststoffmaterial gibt eine äußere Form der Sensoreinheit vor und umhüllt die externen elektrischen Schnittstellen vollständig und einen Abschnitt des Anschlusskabels oder der Kontaktelemente der Steckeraufnahme zumindest teilweise so, dass der Sensorkopf und das Gehäuse an mindestens einem Dichtbereich gegeneinander abgedichtet sind. Das erste Kunststoffmaterial der Kapsel des Sensorkopfs ist mit niedrigeren Drücken und/oder Temperaturen als das zweite Kunststoffmaterial des Gehäuses verarbeitbar.
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Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen redundanten Sensoreinheit vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen einer Leiterplatte, welche an einem ersten Endbereich mindestens eine Sensoraufnahme zur Aufnahme von zwei Sensoren und an einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich für jeden der beiden Sensoren eine externe elektrische Schnittstelle für ein Anschlusskabel oder eine Steckeraufnahme und in einem Abschnitt zwischen den beiden Enden für jeden der beiden Sensoren eine interne elektrische Schnittstelle zur Kontaktierung des jeweiligen Sensors aufweist. Einsetzen und Positionieren eines ersten Sensors in die mindestens eine Sensoraufnahme der Leiterplatte und Kontaktieren des ersten Sensors mit mindestens zwei ersten Kontaktmitteln der Leiterplatte, welche eine erste interne elektrische Schnittstelle ausbilden. Einsetzen und Positionieren eines zweiten Sensors in die mindestens eine Sensoraufnahme und Kontaktieren des zweiten Sensors mit mindestens zwei ersten Kontaktmitteln der Leiterplatte, welche eine zweite interne elektrische Schnittstelle ausbilden. Einlegen der Leiterplatte mit den positionierten und kontaktierten Sensoren in eine Kavität eines ersten Spritzwerkzeugs, welche eine Form einer Kapsel eines Sensorkopfs vorgibt. Ausführen eines ersten Spritzvorgangs mit einem ersten Kunststoffmaterial, derart, dass das erste Kunststoffmaterial im ausgehärteten Zustand die internen elektrischen Schnittstellen und die positionierten und kontaktierten Sensoren mediendicht umschließt und einen gegen das Gehäuse abdichtbaren Sensorkopf ausbildet und die externen Schnittstellen zumindest teilweise freibleiben. Verbinden von Adern eines Anschlusskabels oder von Kontaktelementen der Steckeraufnahme mit zweiten Kontaktmitteln, welche die externen Schnittstellen der Leiterplatte ausbilden. Einlegen der Kapsel mit dem kontaktierten Anschlusskabel oder den kontaktierten Kontaktelementen der Steckeraufnahme in eine Kavität eines zweiten Spritzwerkzeugs, welche eine Form eines Gehäuses der Sensoreinheit vorgibt, und Ausführen eines zweiten Spritzvorgangs mit einem zweiten Kunststoffmaterial derart, dass das ausgehärtete spritztechnisch hergestellte Gehäuse die externe elektrische Schnittstelle vollständig und einen Abschnitt des Anschlusskabels oder der Kontaktelemente der Steckeraufnahme zumindest teilweise so umhüllt, dass der Sensorkopf und das Gehäuse an mindestens einem Dichtbereich gegeneinander abgedichtet sind. Das erste Kunststoffmaterial der Kapsel des Sensorkopfs wird mit niedrigeren Drücken und/oder Temperaturen als das zweite Kunststoffmaterial des Gehäuses in das korrespondierende Spritzwerkzeug eingebracht.
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Durch die Verwendung einer Leiterplatte ist es möglich, zusätzliche integrierte Schaltkreise (ICs) bzw. elektronische Bauteile auf der Leiterplatte anzuordnen, so dass zusätzliche Funktionen ausgeführt werden können, welche beispielsweise zur Signalaufbereitung, Signalauswertung oder zum Schutz der Sensoren eingesetzt werden können. Die zusätzlichen integrierten Schaltkreise und elektronischen Bauteile können beispielsweise auf Oberflächen der Leiterplatte angeordnet sein oder in die Leiterplatte integriert oder eingebettet werden.
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Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen eine modulare Fertigung der erfindungsgemäßen redundanten Sensoreinheit. So kann beispielsweise der Sensorkopf mit der Kapsel als Zulieferteil in verschiedenen Ausführungsformen gefertigt werden. Die Bestückung des Sensorkopfs mit den zwei Sensoren und der erste Spritzvorgang zur mediendichten Umhüllung der beiden Sensoren und der internen Schnittstellen kann dann für die verschiedenen Ausführungsformen des Gehäuses standardisiert werden. Durch die Standardisierung des Bestückungsvorgangs und des ersten Spritzvorgangs können Varianz bzw. Ausführungsvielfalt bzw. Ausführungsvarianten reduziert werden. Zudem können bei der Sensorkopffertigung Sensoren mit verschiedenen Formen und Abmessungen in einem grundlegenden Sensordesign durch Austausch eines Formwerkzeugeinsatzes realisiert werden. So kann beispielsweise ein modulares Werkzeugdesign mit standardisierten Einsätzen für verschiedene Sensoren umgesetzt werden, und Werkzeugkosten für die Positionierung von verschiedenen Sensoren können eingespart werden. Durch den zweiten Spritzvorgang können dann Gehäuse mit unterschiedlichen Anschlussbereichen, wie beispielsweise mit einer Kabelaufnahme oder einer Steckeraufnahme, sowie mit unterschiedlichen Befestigungsvorrichtungen realisiert werden. Durch den abschließenden zweiten Spritzvorgang kann das Gehäuse mediendicht mit der standardisierten Kapsel des Sensorkopfs verbunden werden. Zudem kann auch der zweite Spritzvorgang für verschiedene Gehäuseformen standardisiert werden. Des Weiteren ist durch die im zweiten Spritzvorgang realisierte Abdichtung nur eine einmalige Dichtigkeitsüberprüfung nach dem zweiten Spritzvorgang erforderlich. Durch das damit erzielte standardisierte Abdichtungskonzept wird eine gemeinsame Produktionslinie für kabelgebundene oder direkt angeschlossene Ausführungsformen der Sensoreinheit ermöglicht. Da das erste Kunststoffmaterial für die Kapsel im ersten Spritzvorgang mit niedrigeren Drücken und/oder Temperaturen als das zweite Kunststoffmaterial für das Gehäuse im zweite Spritzvorgang in das korrespondierende Spritzwerkzeug eingebracht wird, kann eine zu hohe mechanische und/oder thermische Belastung des mindestens einen Sensors während des ersten Spritzvorgangs in vorteilhafter Weise verhindert werden.
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Unter einer redundanten Sensoreinheit wird vorliegend eine Baueinheit verstanden, welche zwei Sensoren umfasst, welche unabhängig voneinander jeweils eine physikalische Größe bzw. eine Änderung einer physikalischen Größe direkt oder indirekt erfassen und vorzugsweise in ein elektrisches Sensorsignal umwandeln. Dies kann beispielsweise über das Aussenden und/oder das Empfangen von Schallwellen und/oder elektromagnetischen Wellen und/oder über ein Magnetfeld bzw. die Änderung eine Magnetfeldes erfolgen. Die Sensoren können beispielsweise auf ein wechselndes Magnetfeld reagieren und diese Magnetfeldänderungen dann direkt in korrespondierende elektrische Signale umwandeln und ein Hallsensorelement oder ein magnetoresistives Sensorelement oder ein induktives Sensorelement umfassen, welches die Änderung eines Magnetfeldes beispielsweise über die durch magnetische Induktion entstehende Spannung registriert. Dadurch stehen zwei voneinander unabhängige elektrische Sensorsignale zur weiteren Auswertung zur Verfügung. Ausführungsformen der erfindungsgemäßen redundanten Sensoreinheit können beispielsweise zur Messung von Drehzahlen und/oder Drehrichtungen im Fahrzeug eingesetzt werden. Je nach Anwendungsfall kann die Sensoreinheit als Drehzahlfühler an den Rädern für ein Antiblockierbremssystem (ABS), als Drehzahl- und Phasengeber für eine Motorsteuerung oder als Lenkwinkelsensor für sogenannte Fahrdynamikregelsysteme und für elektrische Lenkhilfen eingesetzt werden. Die Sensoren sind üblicherweise als integrierte Elektronikschaltkreise (IC) mit mindestens einem integrierten Sensorelement aufgebaut und können auch als Sensorchips bezeichnet werden. Diese Magnetfeldänderungen können beispielsweise durch ein relativ zu den Sensoren bewegtes Impulsrad oder Linearelement erzeugt werden. Dadurch können die Sensoren daraus jeweils ein elektrisches Signal zur Ermittlung eines relativ zum jeweiligen Sensor zurückgelegten Wegs, einer Geschwindigkeit, einer Beschleunigung, eines Beschleunigungsgradienten und/oder eines Drehwinkels erzeugen und ausgeben.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen redundanten Sensoreinheit und des im unabhängigen Patentanspruch 13 angegebenen Verfahrens möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der mindestens eine Dichtbereich als Überlappungsbereich ausgeführt sein kann, an welchem das Gehäuse die Kapsel des Sensorkopfs überlappt. Ein solcher Überlappungsbereich erleichtert die Abdichtung zwischen der Kapsel und dem Gehäuse. Zudem kann der Überlappungsbereich zur Verbesserung der Verbindung und der Abdichtung zwischen der Kapsel und dem Gehäuse vorbehandelt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der redundanten Sensoreinheit können die beiden Sensoren nebeneinander jeweils in einer Sensoraufnahme gehalten sein. So kann die Leiterplatte am ersten Ende zwei nebeneinander angeordnete Sensoraufnahmen aufweisen, welche beispielsweise als Aussparungen in die Leiterplatte eingebracht sind und jeweils einen der Sensoren aufnehmen. Durch das Einsetzen der beiden Sensoren in jeweils eine Aussparung ist es möglich, einen besonders flachen Sensorkopf mit einer niedrigen Höhe zu realisieren. Zudem kann das Einsetzen und Kontaktieren der beiden Sensoren in aus einer gemeinsamen Einbaurichtung, vorzugsweise von „oben“ erfolgen. Alternativ können die beiden Sensoren aufeinandergestapelt in einer gemeinsamen Sensoraufnahme gehalten sein, welche ebenfalls als Aussparung in die Leiterplatte eingebracht sein kann. Durch das Aufeinanderstapeln der beiden Sensoren in der gemeinsamen Sensoraufnahme, ist es möglich, einen Sensorkopf mit reduzierter Bauhöhe bzw. einem kleineren Durchmesser zu realisieren. Zudem kann das Einsetzen der beiden Sensoren gleichzeitig erfolgen, da ein erster Sensor aus einer ersten Einbaurichtung, vorzugsweise von „oben“, und ein zweiter Sensor aus einer zweiten Einbaurichtung, vorzugsweise von „unten“, in die gemeinsame als Aussparung ausgeführte Sensoraufnahme eingesetzt werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der redundanten Sensoreinheit können mindestens zwei erste Kontaktmittel für eine erste interne elektrische Schnittstelle für einen ersten Sensor und mindestens zwei erste Kontaktmittel für eine zweite interne elektrische Schnittstelle für einen zweiten Sensor nebeneinander oder in Längsrichtung der Leiterplatte versetzt zueinander auf einer Oberseite oder einer Unterseite der Leiterplatte oder getrennt voneinander auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte angeordnet sind. Die Anordnung der ersten Kontaktmittel der beiden internen Schnittstellen nebeneinander oder versetzt zueinander auf einer gemeinsamen Seite der Leiterplatte ist besonders vorteilhaft, wenn die beiden Sensoren nebeneinander angeordnet sind. Die getrennte Anordnung der ersten Kontaktmittel der beiden internen Schnittstellen auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte ist besonders vorteilhaft, wenn die beiden Sensoren aufeinandergestapelt angeordnet sind. So kann beispielsweise ein im Stapel oben angeordneter Sensor mit ersten Kontaktmitteln einer ersten internen elektrischen Schnittstelle kontaktiert werden, welche auf der Oberseite der Leiterplatte angeordnet sind, und ein im Stapel unten angeordneter Sensor kann mit ersten Kontaktmitteln einer zweiten internen elektrischen Schnittstelle kontaktiert werden, welche auf der Unterseite der Leiterplatte angeordnet sind.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der redundanten Sensoreinheit können die ersten Kontaktmittel als Kontaktflächen ausgeführt sein und die internen elektrischen Schnittstellen ausbilden. Dadurch können Anschlusskontakte der beiden Sensoren einfach durch Löten oder Widerstandsschweißen mit den Kontaktflächen elektrisch kontaktiert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der redundanten Sensoreinheit können mindestens zwei zweite Kontaktmittel für eine erste externe elektrische Schnittstelle für einen ersten Sensor und mindestens zwei zweite Kontaktmittel für eine zweite externe elektrische Schnittstelle für einen zweiten Sensor nebeneinander oder in Längsrichtung der Leiterplatte versetzt zueinander auf einer Oberseite oder einer Unterseite der Leiterplatte angeordnet sein oder getrennt voneinander auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte angeordnet sein. Durch die verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten der ersten und zweiten Kontaktmittel der Leiterplatte kann die Leiterplatte an verschiedene Einbauräume angepasst werden, da Breite und Länge der Leiterplatte durch die verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten der ersten und zweiten Kontaktmittel variiert werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der redundanten Sensoreinheit können die zweiten Kontaktmittel als Kontaktflächen oder als Kontaktstege ausgeführt sein und die externen elektrischen Schnittstellen ausbilden. Hierbei können die zweiten Kontaktmittel jeweils durch eine Crimpverbindung oder eine Spleißverbindung oder eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung mit den Adern des mindestens einen Anschlusskabels oder mit den Kontaktelementen der mindestens einen Steckeraufnahme verbunden sein. Bei der Ausführung der zweiten Kontaktelemente als Kontaktflächen können die abisolierten Enden der Adern des mindestens einen Anschlusskabels oder die Kontaktelemente der mindestens einen Steckeraufnahme einfach durch Löten oder durch Widerstandsschweißen mit der Leiterplatte elektrisch kontaktiert werden. Bei der Ausführung der zweiten Kontaktelemente als Kontaktstege können die abisolierten Enden der Adern des mindestens einen Anschlusskabels oder die Kontaktelemente der mindestens einen Steckeraufnahme mittels Crimpverbindungen oder mittels Spleißverbindungen mit der Leiterplatte elektrisch kontaktiert werden. Bei einer solchen Crimpverbindung können die abisolierten Enden der Adern des mindestens einen Anschlusskabels oder die Kontaktelemente der Steckeraufnahme auf die als Kontaktstege ausgeführten zweiten Kontaktmittel der Leiterplatte aufgelegt werden. Auf diesen Verbund kann dann eine offene Crimphülse aufgeschoben und danach gequetscht werden. Bei einer solchen Spleißverbindung können die abisolierten Enden der Adern des mindestens einen Anschlusskabels oder die Kontaktelemente der Steckeraufnahme auf die als Kontaktstege ausgeführten zweiten Kontaktmittel der Leiterplatte aufgelegt werden. Dieser Verbund kann dann mit einer abgelängten Spleißhülle umwickelt und nach dem Umwickeln gequetscht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der redundanten Sensoreinheit kann eine Befestigungsvorrichtung an das Gehäuse angeformt sein und eine Befestigungslasche oder Rastmittel umfassen. Umfasst die an das Gehäuse angeformte Befestigungsvorrichtung eine Befestigungslasche, dann kann die korrespondierende redundante Sensoreinheit am Einbauort, wie beispielsweise einem Achsschenkel, verschraubt werden. Umfasst die an das Gehäuse angeformte Befestigungsvorrichtung Rastmittel, so kann die redundante Sensoreinheit beispielsweise in eine Aufnahmebohrung eingeführt und verrastet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der redundanten Sensoreinheit kann das erste Kunststoffmaterial für die Kapsel des Sensorkopfs ein Duroplast sein. Das zweite Kunststoffmaterial für das Gehäuse kann ein Thermoplast, insbesondere ein Polybutylenterephthalat (PBT) oder ein Polyamid (PA) sein. Zudem könne zur Verbesserung der Verbindungsfähigkeit reaktive Bindungsstoffe in das erste Kunststoffmaterial für die Kapsel und/oder in das zweite Kunststoffmaterial für das Gehäuse beigemischt werden
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens können an der Leiterplatte Haltestege ausgebildet sein, durch welche die Leiterplatte während des ersten Spritzvorgangs in der Kavität des ersten Spritzwerkzeugs gehalten wird. Dadurch kann eine ungewollte Bewegung der Leiterplatte während des ersten Spritzvorgangs verhindert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens kann der mindestens eine Dichtbereich an Kontaktbereichen der Kapsel mit dem Gehäuse vor dem Kontaktieren der externen elektrischen Schnittstelle mit den Adern des Anschlusskabels oder mit den Kontaktelementen der Steckeraufnahme zur Steigerung einer Verbindung zwischen der Kapsel und dem Gehäuse vorbehandelt werden. So kann zur Verbesserung der Verbindungsfähigkeit der mindestens eine Dichtbereich der Kapsel beispielweise durch Sandstrahlen oder Fräsen oder durch Laserstrukturierung aufgeraut und/oder gezielt strukturiert werden. Dadurch kann die auf der Ausnutzung von Adhäsion, bipolaren Kräften und/oder Kovalenzbindungen basierende Verbindung zwischen der Kapsel und dem Gehäuse verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine Dichtbereich der Kapsel beispielsweise plasmagereinigt und/oder plasmaaktiviert werden. Durch die Aktivierung der Oberfläche des mindestens einen Dichtbereichs der Kapsel kann die Benetzbarkeit und damit die Verbindungsfähigkeit des mindestens einen Dichtbereichs mit dem zweiten Kunststoffmaterial deutlich verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Dichtbereich der Kapsel beispielsweise mit einem Haftvermittler bzw. Primer beschichtet werden, welcher die Adhäsionseigenschaften von Oberflächen verbessern kann. Zusammenfassend können durch eine Erhöhung der Haftfestigkeit die Verbindung zwischen dem Dichtbereich der Kapsel und dem zweiten Kunststoffmaterial und somit auch die Beständigkeit gegen Wasser und Chemikalien erhöht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen kabelgebundenen Sensoreinheit.
- 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit mit einer Steckeraufnahme.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leiterplatte mit internen und externen elektrischen Schnittstelle für die erfindungsgemäßen Sensoreinheiten aus 1 oder 2.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung der Leiterplatte aus 3 mit zwei eingelegten und kontaktierten Sensoren.
- 5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Sensorkopfs mit einer Kapsel aus einem ersten Kunststoffmaterial für die erfindungsgemäßen Sensoreinheiten aus 1 oder 2.
- 6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Anschlusskabels und vier Crimphülsen, welche bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus 1 mit den externen elektrischen Schnittstellen des Sensorkopfs aus 5 kontaktiert werden.
- 7 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung von Kontaktelementen einer Steckeraufnahme und vier Spleißhüllen, wobei die Kontaktelemente der Steckeraufnahme bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus 2 mit den externen elektrischen Schnittstellen des Sensorkopfs aus 5 kontaktiert werden.
- 8 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des mit dem Anschlusskabel aus 6 kontaktierten Sensorkopfs aus 5.
- 9 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sensoreinheiten aus 1 oder 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 8 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen redundanten Sensoreinheit 1, 1A, 1B jeweils zwei Sensoren 26A, 26B und eine Leiterplatte 12. An einem ersten Endbereich der Leiterplatte 12 ist mindesten eine Sensoraufnahme 12.1A, 12.1B für die beiden Sensoren 26A, 26B ausgebildet, und an einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich der Leiterplatte 12 ist für jeden der Sensoren 26A, 26B eine externe elektrische Schnittstelle 9B1, 9B2 für mindestens ein Anschlusskabel 3 oder mindestens eine Steckeraufnahme 7B ausgebildet. In einem Abschnitt zwischen den beiden Endbereichen ist für jeden der beiden Sensoren 26A, 26B eine interne elektrische Schnittstelle 9A1, 9A2 zur Kontaktierung der beiden Sensoren 26A, 26B ausgebildet. Die beiden Sensoren 26A, 26B sind jeweils in der mindestens einen Sensoraufnahme 12.1A, 12.1B gehalten und mit einer der internen elektrischen Schnittstellen 9A1, 9A2 kontaktiert. Eine spritztechnisch hergestellte Kapsel 22 aus einem ersten Kunststoffmaterial gibt eine äußere Form eines Sensorkopfs 20 vor und umhüllt teilweise die Leiterplatte 12 so, dass die externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 mit kontaktierten Adern 5 des Anschlusskabels 3 oder mit kontaktierten Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B zumindest teilweise frei und zugänglich sind und die internen elektrischen Schnittstellen 9A1, 9A2 und die positionierten und kontaktierten Sensoren 26A, 26B mediendicht innerhalb der Kapsel 22 angeordnet sind. Ein spritztechnisch hergestelltes Gehäuse 10, 10A, 10B aus einem zweiten Kunststoffmaterial gibt eine äußere Form der Sensoreinheit 1, 1A, 1B vor und umhüllt die externen elektrischen Schnittstelle 9B1, 9B2 vollständig und einen Abschnitt des Anschlusskabels 3 oder der Kontaktelemente 8 der Steckeraufnahme 7B zumindest teilweise so, dass der Sensorkopf 20 und das Gehäuse 10, 10A, 10B an mindestens einem Dichtbereich 24 gegeneinander abgedichtet sind. Hierbei ist das erste Kunststoffmaterial der Kapsel 22 des Sensorkopfs 20 mit niedrigeren Drücken und/oder Temperaturen als das zweite Kunststoffmaterial des Gehäuses 10 verarbeitbar.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen der redundanten Sensoreinheit 1, 1A, 1B wird als erstes Kunststoffmaterial für die Kapsel 22 des Sensorkopfs 20 ein Duroplast verwendet. Als zweites Kunststoffmaterial für das Gehäuse 10, 10A, 10B wird ein Thermoplast, insbesondere ein Polybutylenterephthalat (PBT) oder ein Polyamid (PA) verwendet. Zur Verbesserung der Verbindungsfähigkeit können reaktive Bindungsstoffe in das erste Kunststoffmaterial für die Kapsel 22 des Sensorkopfs 20 und/oder in das zweite Kunststoffmaterial für das Gehäuse 10, 10A, 10B beigemischt werden.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen umfassen die redundanten Sensoreinheiten 1, 1A, 1B jeweils zwei Sensoren 26A, 26B, welche als Sensorchips ausgeführt sind und beispielsweise ein Hallsensorelement oder ein magnetoresistives Sensorelement umfassen. Die Sensoreinheiten 1, 1A, 1B werden vorzugsweise als Drehzahlsensoren zur Erfassung von Drehbewegungen eines Fahrzeugrads oder einer Welle eingesetzt. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die beiden Sensoren 26A, 26B nebeneinander jeweils in einer Sensoraufnahme 12.1A, 12.1B gehalten. Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel einer redundanten Sensoreinheit 1 sind die beiden Sensoren 26A, 26B aufeinandergestapelt in einer gemeinsamen Sensoraufnahme gehalten.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist eine Befestigungsvorrichtung 17 an das Gehäuse 10, 10A, 10B angeformt, welche eine Befestigungslasche 17A und eine in die Befestigungslasche 17A integrierte Buchse 18 umfasst. Zur Befestigung der redundanten Sensoreinheit 1, 1A, 1B kann eine nicht dargestellte Schraube durch die Buchse 18 geführt werden und die redundante Sensoreinheit 1, 1A, 1B am Einbauort, beispielsweise mit einem Achsschenkel verschraubt werden. Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der redundanten Sensoreinheit 1 können anstelle der Befestigungslasche 17A beispielsweise Rastmittel als Befestigungsvorrichtung 17 an das Gehäuse 10 angeformt werden. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann die redundante Sensoreinheit 1 beispielsweise in eine Aufnahmebohrung eingeführt und verrastet werden.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist die redundante Sensoreinheit 1 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel als kabelgebundene redundante Sensoreinheit 1A ausgeführt, welche an den externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 mit einem Anschlusskabel 3 kontaktiert ist. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist die redundante Sensoreinheit 1 im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel als Sensoreinheit 1B mit einer Steckeraufnahme 7B ausgeführt, welche an den externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 mit Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B kontaktiert ist.
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Wie aus 3 und 4 weiter ersichtlich ist, sind die Sensoren 26A, 26B jeweils in eine Sensoraufnahme 12.1A, 12.1B eingelegt, welche als Aussparungen am ersten Endbereich in die Leiterplatte 12 eingebracht sind, welche beispielhaft als PCB 12A ausgeführt ist (PCB: Printed Circuit Board). In den Abschnitten zwischen den beiden Endbereichen der Leiterplatte 12 sind als Kontaktflächen 13A ausgeführte erste Kontaktmittel 13A, 13B ausgebildet, welche auf einer Oberseite der Leiterplatte nebeneinander angeordnet sind. Dadurch wird die Herstellung der elektrischen Kontaktierung von Anschlusskontakten 28A, 28B der Sensoren 26A, 26B mit den Kontaktflächen 13A, 13B der Leiterplatte 12, beispielsweise durch Widerstandsschweißen oder Löten erleichtert. Alternativ können die als Kontaktflächen 13A ausgeführten ersten Kontaktmittel 13A, 13B auf einer Unterseite der Leiterplatte nebeneinander angeordnet sein. Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, ist ein erster, in der Darstellung oben angeordneter Sensor 26A in eine erste, in der Darstellung oben angeordnete Sensoraufnahme 12.1A der Leiterplatte 12 eingelegt. Die Anschlusskontakte 28A des ersten Sensors 26A sind mit zugeordneten als Kontaktflächen 13A ausgeführten ersten Kontaktmitteln 13 einer in der Darstellung oben angeordneten ersten internen elektrischen Schnittstelle 9A1 kontaktiert. Ein zweiter, in der Darstellung unten angeordneter Sensor 26B ist in eine zweite, in der Darstellung unten angeordnete Sensoraufnahme 12.1B der Leiterplatte 12 eingelegt. Die Anschlusskontakte 28B des zweiten Sensors 26B sind mit zugeordneten als Kontaktflächen 13B ausgeführten ersten Kontaktmitteln 13 einer in der Darstellung unten angeordneten zweiten internen elektrischen Schnittstelle 9A2 kontaktiert. Am zweiten Endbereich der Leiterplatte sind als Kontaktstege 14A, 14B ausgeführte zweite Kontaktmittel 14 ausgebildet. Hierbei sind zwei, in der Darstellung oben angeordnete Kontaktstege 14A dem ersten Sensor 26A zugeordnet, und zwei, in der Darstellung unten angeordnete Kontaktstege 14B sind dem zweiten Sensor 26B zugeordnet.
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Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leiterplatte 12 können die ersten Kontaktmittel 13 für die erste interne Schnittstelle 9A1 für den ersten Sensor 26A auf einer Oberseite der Leiterplatte 12 angeordnet sein, und die ersten Kontaktmittel 13 für die zweite interne Schnittstelle 9A2 für den zweiten Sensor 26B können auf einer Unterseite der Leiterplatte 12 angeordnet sein. Das bedeutet, dass die ersten Kontaktmittel 13 für die internen elektrischen Schnittstellen 9A1, 9A2 der beiden Sensoren 26A, 26B getrennt voneinander auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte 12 angeordnet sein können. Bei weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leiterplatte 12 können die ersten Kontaktmittel 13 für die internen elektrischen Schnittstellen 9A1, 9A2 der beiden Sensoren 26A, 26B in Längsrichtung der Leiterplatte versetzt zueinander auf der Oberseite oder auf der Unterseite der Leiterplatte 12 angeordnet werden.
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Bei der Herstellung der in 1 dargestellten kabelgebundenen Sensoreinheit 1A werden die als Kontaktstege 14A, 14B ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 der externen elektrischen Schnittstelle 9B1, 9B2 jeweils über Crimphülsen 16A an der Oberseite der Leiterplatte 12 mit einem abisolierten Ende einer Ader 5 eines in 6 dargestellten Anschlusskabels 3 verbunden, wie aus 8 ersichtlich ist. Hierzu werden die abisolierten Enden der Adern 5 auf die Kontaktstege 14A, 14B der Leiterplatte 12 aufgelegt und die offenen Crimphülsen 16A über die Adern 5 und die Kontaktstege 14A, 14B geschoben und anschließend gequetscht. Zur Herstellung der in 2 dargestellten Sensoreinheit 1B mit Steckeraufnahme 7B werden die als Kontaktstege 14A, 14B ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 der externen elektrischen Schnittstelle 9B1, 9B2 jeweils über Spleißhüllen 16B ebenfalls an der Oberseite der Leiterplatte 12 mit Kontaktstegen 8.1 an einem ersten Ende der als Stromschienen 8A ausgebildeten in 7 dargestellten Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B verbunden. Hierzu werden die Kontaktstege 8.1 der Kontaktelemente 8 auf die Kontaktstege 14A, 14B der Leiterplatte 12 aufgelegt. Anschließend wird dieser Verbund und mit der abgelängten Spleißhülle 16B umwickelt und danach gequetscht. Am zweiten Ende der als Stromschienen 8A ausgeführten Kontaktelemente 8 sind Steckkontakte 8.2A, 8.2B ausgebildet, welche mit einem nicht dargestellten in die Steckeraufnahme 7B einführbaren Stecker kontaktiert werden können. Selbstverständlich können auch andere Verbindungstechniken eingesetzt werden, um die Sensor 26 mit den internen elektrischen Schnittstellen 9A1, 9A2 bzw. das Anschlusskabel 3 bzw. die Steckeraufnahme 7B mit den externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 elektrisch zu verbinden.
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Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Leiterplatte 12 können die als Kontaktstege 14A, 14B ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 für die externen Schnittstellen 9B1, 9B2 in Längsrichtung der Leiterplatte 12B versetzt zueinander angeordnet sein. Zudem können die als Kontaktstege 14A, 14B ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 an einer Unterseite der Leiterplatte mit den abisolierten Enden der Adern 5 des Anschlusskabels 3 oder mit den Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B kontaktiert werden. Des Weiteren können die als Kontaktstege 14A ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 für den ersten Sensor 26A und die als Kontaktstege 14B ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 für den zweiten Sensor 26B an verschiedenen Seiten der Leiterplatte 12 mit den abisolierten Enden der Adern 5 des Anschlusskabels 3 oder mit den Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B kontaktiert werden. So können beispielsweise die als Kontaktstege 14A ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 für den ersten Sensor 26A an der Oberseite der Leiterplatte 12 und die als Kontaktstege 14B ausgeführten zweiten Kontaktmittel 14 für den zweiten Sensor 26B an der Unterseite der Leiterplatte 12 mit den abisolierten Enden der Adern 5 des Anschlusskabels 3 oder mit den Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B kontaktiert werden.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, sind die Gehäuse 10A, 10B der dargestellten redundanten Sensoreinheiten 1A, 1B jeweils an einem ersten Endbereich mit der Kapsel 22 des Sensorkopfs 20 verbunden. An einem zweiten dem ersten Endbereich gegenüberliegenden Endbereich der Gehäuse 10A, 10B ist jeweils ein Anschlussbereich 7 ausgebildet. Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Sensoreinheit 1A umfasst der Anschlussbereich 7 eine Kabelaufnahme 7A für das Anschlusskabel 3, an welcher das Anschlusskabel 3 in das Gehäuse 10A eintritt. Bei dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Sensoreinheit 1B umfasst der Anschlussbereich 7 die Steckeraufnahme 7B, in welche ein nicht dargestellter Stecker zum Anschließen der Sensoreinheit 1B eingesteckt werden kann. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist die Steckeraufnahme 7B um 90° zum restlichen Gehäuse 10B abgewinkelt. Selbstverständlich kann die Steckeraufnahme 7B in Abhängigkeit von den Einbaubedingungen auch einen anderen Winkel zum restlichen Gehäuse 10B oder als einfache Verlängerung des restlichen Gehäuses 10B ausgeführt sein.
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Wie aus 1, 2, 5 und 8 weiter ersichtlich ist, ist der mindestens eine Dichtbereich 24 in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Sensoreinheit 1A, 1B als Überlappungsbereich 24A ausgeführt, an welchem das Gehäuse 10 die Kapsel 22 des Sensorkopfs 20 überlappt.
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Wie aus 9 weiter ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 100 zur Herstellung einer redundanten Sensoreinheit 1, 1A, 1B einen Schritt S100, durch welchen eine Leiterplatte 12 bereitgestellt wird, welche an einem ersten Endbereich mindestens eine Sensoraufnahme 12.1A, 12.1B zur Aufnahme von zwei Sensoren 26A, 26B und an einem dem ersten Endbereich gegenüberliegenden zweiten Endbereich für jeden der beiden Sensoren 26A, 26B eine externe elektrische Schnittstelle 9B1, 9B2 für ein Anschlusskabel 3 oder eine Steckeraufnahme 7B und in einem Abschnitt zwischen den beiden Enden für jeden der beiden Sensoren 26A, 26B eine interne elektrische Schnittstelle 9A1, 9A2 zur Kontaktierung des jeweiligen Sensors 26A, 26B aufweist. In einem Schritt S110 wird ein erster Sensor 26A in die mindestens eine Sensoraufnahme 12.1A, 12.1B der Leiterplatte 12 eingesetzt und positioniert. In einem Schritt S120 wird der erste Sensors 26A mit mindestens zwei ersten Kontaktmitteln 13 der Leiterplatte 12 kontaktiert, welche eine erste interne elektrische Schnittstelle 9A1 ausbilden. In einem Schritt S130 wird ein zweiter Sensor 26B in die mindestens eine Sensoraufnahme 12.1A, 12.1B eingesetzt und positioniert. In einem Schritt S140 wird der zweite Sensor 26B mit mindestens zwei ersten Kontaktmitteln 13 der Leiterplatte 12 kontaktiert, welche eine zweite interne elektrische Schnittstelle 9A2 ausbilden. In einem Schritt S150 wird die Leiterplatte 12 mit den positionierten und kontaktierten Sensoren 26A, 26B in eine Kavität eines ersten Spritzwerkzeugs eingelegt, welche eine Form einer Kapsel 22 eines Sensorkopfs 20 vorgibt. In einem Schritt S160 wird ein erster Spritzvorgang mit einem ersten Kunststoffmaterial, derart ausgeführt, dass das erste Kunststoffmaterial im ausgehärteten Zustand die internen elektrischen Schnittstellen 9A1, 9A2 und die positionierten und kontaktierten Sensoren 26A, 26B mediendicht umschließt und einen gegen das Gehäuse 10 abdichtbaren Sensorkopf 20 ausbildet und die externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 zumindest teilweise freibleiben. Bei der Herstellung der kabelgebundenen redundanten Sensoreinheit 1A aus 1 werden in einem Schritt S170 Adern 5 eines Anschlusskabels 3 mit zweiten Kontaktmitteln 14 kontaktiert, welche die externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 der Leiterplatte 12 ausbilden. Alternativ werden bei der Herstellung einer redundanten Sensoreinheit 1B mit einer Steckeraufnahme 7B aus 2 im Schritt S170 die Kontaktelemente 8 der Steckeraufnahme 7B mit den zweiten Kontaktmitteln 14 kontaktiert, welche die externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 der Leiterplatte 12 ausbilden. In einem Schritt S180 wird bei der Herstellung der kabelgebundenen redundanten Sensoreinheit 1A aus 1 die Kapsel 22 mit dem kontaktierten Anschlusskabel 5 in eine Kavität eines zweiten Spritzwerkzeugs eingelegt, welche eine Form eines Gehäuses 10, 10A, 10B der Sensoreinheit 1, 1A, 1B vorgibt. Alternativ wird bei der Herstellung einer Sensoreinheit 1B mit einer Steckeraufnahme 7B im Schritt S180 die Kapsel 22 mit den kontaktierten Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B in die Kavität des zweiten Spritzwerkzeugs eingelegt, welche eine Form des Gehäuses 10B mit der Steckeraufnahme vorgibt. Im Schritt S190 wird ein zweiter Spritzvorgang mit einem zweiten Kunststoffmaterial derart ausgeführt, dass das ausgehärtete spritztechnisch hergestellte Gehäuse 10, 10A, 10B die externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 vollständig und einen Abschnitt des Anschlusskabels 3 oder der Kontaktelemente 8 der Steckeraufnahme 7B zumindest teilweise so umhüllt, dass der Sensorkopf 20 und das Gehäuse 10, 10A, 10B an mindestens einem Dichtbereich 24 gegeneinander abgedichtet sind. Hierbei wird das erste Kunststoffmaterial der Kapsel 22 des Sensorkopfs 20 mit niedrigeren Drücken und/oder Temperaturen als das zweite Kunststoffmaterial des Gehäuses 10, 10A, 10B in das korrespondierende Spritzwerkzeug eingebracht.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Sensoreinheiten 1, 1A, 1B sind an der Leiterplatte 12 Haltestege 12.2 ausgebildet, durch welche die Leiterplatte während des ersten Spritzvorgangs in der Kavität des ersten Spritzwerkzeugs gehalten wird.
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Optional kann der mindestens eine Dichtbereich 24 an Kontaktbereichen der Kapsel 22 mit dem Gehäuse 10, 10A, 10B nach dem Aushärten der Kapsel 22 und vor dem Kontaktieren der externen elektrischen Schnittstellen 9B1, 9B2 mit den Andern 5 des Anschlusskabels oder mit den Kontaktelementen 8 der Steckeraufnahme 7B zur Steigerung einer Verbindung zwischen Kapsel 22 und Gehäuse 10 in einem zusätzlichen Verfahrensschritt vorbehandelt werden.
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In dem optionalen Verfahrensschritt kann der mindestens eine Dichtbereich 24 der Kapsel 22 aufgeraut und/oder gezielt strukturiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine Dichtbereich 24 der Kapsel 22 plasmagereinigt und/oder plasmaaktiviert werden. Des Weiteren kann der mindestens eine Dichtbereich 24 der Kapsel 22 mit einem Haftvermittler bzw. Primer beschichtet werden. Selbstverständlich kann auch eine beliebige Kombination der Maßnahmen durchgeführt werden, um eine optimale Verbindung zwischen dem ersten Kunststoffmaterial der Kapsel 22 und dem zweiten Kunststoffmaterial des Gehäuses 10A, 10B zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10222204 A1 [0002]
- DE 102005012709 A1 [0003]
