DE19820358C1

DE19820358C1 - Optoelektronischer Sensor

Info

Publication number: DE19820358C1
Application number: DE19820358A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Carrle; Martin Dipl Ing Deutschmann
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1998-05-07
Filing date: 1998-05-07
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2018-05-08

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Derartige Sensoren können insbesondere als Lichtschranken oder Lichttaster ausgebildet sein. Infolge der fortwährenden Anforderungen an immer geringere Baugrößen derartiger Sensoren wird der für die elektronischen Bauteile zur Verfügung stehende Innenraum der Gehäuse der Sensoren ebenfalls immer kleiner. Dies hat zur Folge, daß die elektronischen Bauteile nicht mehr durch gängig auf starren Leiterplatten angeordnet werden können.

Demzufolge werden bei optoelektronischen Sensoren mit kleinen Baugrößen Leiterplatten eingesetzt, die aus teils flexiblen und teils starren Leiterplattenab schnitten bestehen. Diese Leiterplatten können dadurch hergestellt werden, daß an den Rändern von starren Leiterplattenabschnitten flexible Leiterplattenab schnitte in Form von Leiterfilmen angelötet werden. Derartige Verbindungs techniken sind beispielsweise in der Veröffentlichung "Fertigungsgerechtes Konstruieren flexibler Leiterplatten" der Firma Simflex, Weinheim, Oktober 1987 beschrieben. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist jedoch aufwendig und kostenintensiv. Derartige Leiterplatten können alternativ auch als Starr flexleiterplatten fertig konfektioniert bezogen werden, wobei jedoch auch in diesem Fall die Leiterplatten sehr teuer sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Sensor bei möglichst geringer Baugröße so auszubilden, daß er möglichst einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 vorge sehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor weist eine flexible Leiterplatte auf, auf welcher wenigstens eine starre Leiterplatte aufsitzt, so daß die starre Leiterplatte im Bereich ihres gesamten Randes der flexiblen Leiterplatte gegen überliegt. Dabei sind die flexible und starre Leiterplatte über Lötstellen mitein ander leitend verbunden.

Die starre Leiterplatte kann beispielsweise zur Aufnahme von Anschlußpins des Geräteanschlusses des optoelektronischen Sensors dienen. Der über die starre Leiterplatte hervorstehende Teil der flexiblen Leiterplatte ist im Innern des Gehäuses liegend angeordnet und trägt die elektronischen Bauteile. Dabei kann die flexible Leiterplatte aus Platzgründen mehrfach gefaltet sein. Durch diese Leiterplattenanordnung können die elektronischen Bauteile äußerst platz sparend im Innern des Gehäuses untergebracht werden, wodurch sehr geringe Baugrößen erzielt werden können.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß der erfindungsgemäße Sen sor auf einfache Weise und sehr kostengünstig gefertigt werden kann.

Die starre Leiterplatte und die elektrischen Bauteile werden in demselben Be stückungsprozeß auf die flexible Leiterplatte aufgebracht, auf welche zu vor an vorgegebenen Positionen zur Erstellung der Lötstellen Lötmaterial aufgetragen wurde. Nach Beenden des Bestückungsprozesses wird die flexible Leiterplatte mit der daran befestigten starren Leiterplatte in das Gehäuses eingebracht.

Die starre Leiterplatte wird somit zusammen mit den elektronischen Bauteilen, zu denen vorzugsweise auch der Sender und/oder der Empfänger gehören, in einem einzigen Fertigungsschritt montiert. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die Montage der starren Leiterplatte in gleicher Weise wie die Bestückung ei nes SMD-Bauteils. Die flexible und die starre Leiterplatte brauchen keine besonderen Anforderungen hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften zu erfüllen, so daß kostengünstige Standardmaterialien verwendet werden können.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen optoelektronischen Sen sor.

Fig. 2: Vergrößerter Ausschnitt der Darstellung des Sensors gemäß Fig. 1.

Fig. 3: Draufsicht auf einen Ausschnitt der im Sensor gemäß den Fig. 1 und 2 integrierten Leiterplatten.

Fig. 1 zeigt einen als Reflexionslichtschranke ausgebildeten optoelektroni schen Sensor 1. Der Sensor 1 weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender 2 und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger 3 auf, die in einem Gehäuse 4 integriert sind. Der Sender 2 ist vorzugsweise von einer Leuchtdiode, der Empfänger 3 von einer Photodiode gebildet. Zur Fokussie rung der Sendelichtstrahlen ist dem Sender 2 eine Sendeoptik 5 zugeordnet. Entsprechend ist dem Empfänger 3 eine Empfangsoptik 6 zugeordnet. Die Sende- 5 und Empfangsoptik 6 sind jeweils von einer Linse gebildet. Die Lin sen sind in einem aus Kunststoff bestehenden Tubus 7 gehalten, an dessen Rückseite der Sender 2 und der Empfänger 3 angeordnet sind. Die Frontseite des Tubus 7 mit den Linsen steht einer Frontscheibe 8 an der Frontseite des Gehäuses 4 gegenüber, durch welche die Sende- und Empfangslichtstrahlen geführt sind. Die Frontscheibe 8 besteht aus transparentem, eingefärbtem Kunststoff und ist auf eine sich über nahezu die gesamte Frontfläche erstrec kende Öffnung in der Gehäusewand eingesetzt. Vorzugsweise ist die Front scheibe 8 mit der Gehäusewand ultraschallverschweißt.

An der Oberseite des Gehäuses 4 ist ein Bedienelement 9 vorgesehen. Mit die sem Bedienelement 9 können die Betriebsparameter des optoelektronischen Sensors 1 eingestellt werden. Zudem ist an der Oberseite ein Anzeigeelement 10 mit einer Leuchtdiode 11 zur Visualisierung des Betriebszustands des opto elektronischen Sensors 1 vorgesehen.

Die nicht dargestellten elektronischen Bauteile für die Auswertung der am Empfänger 3 anstehenden Signale sowie für das Bedienelement 9 und das An zeigeelement 10 sind ebenso wie der Sender 2 und der Empfänger 3 auf einer flexiblen Leiterplatte 12 angeordnet. Dabei liegt die flexible Leiterplatte 12 mehrfach gefaltet an den Außenwänden des Tubus 7 an. Die flexible Leiterplat te 12 besteht vorzugsweise aus kupferkaschiertem Polyimid.

Die flexible Leiterplatte 12 erstreckt sich bis in den unteren Bereich des Ge häuses 4. Dort ist in einer Aufnahme im Boden des Gehäuses 4 ein Gerätean schluß 13 eingesetzt, an welchem ein nicht dargestelltes Kabel befestigt ist. Der Geräteanschluß 13 kann als Steckverbinder ausgebildet sein. Das Kabel mit dem Geräteanschluß 13 dient zum elektrischen Anschluß des optoelektroni schen Sensors 1.

Der Geräteanschluß 13 sitzt formschlüssig in der Aufnahme des Gehäuses 4. Zudem ist zwischen der Gehäusewand und dem Geräteanschluß 13 eine Dich tung 14 vorgesehen, die das Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit in das Gehäuseinnere verhindert.

Der Geräteanschluß 13 weist für den elektrischen Anschluß vier Anschlußpins 15 auf, die in das Gehäuseinnere ragen.

Für den elektrischen Anschluß an den Geräteanschluß 13 ist eine starre Leiter platte 16 vorgesehen, welche auf einem Abschnitt der flexiblen Leiterplatte 12 aufsitzt. Die starre Leiterplatte 16 besteht vorzugsweise aus Epoxi- Glashartgewebe FR 4.

Die flexible und die starre Leiterplatte 12, 16 sind über Lötstellen 17 miteinan der leitend verbunden. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Verbin dung ist in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 sind aus Gründen der Übersichtlich keit nur die Anschlußpins 15 ohne den zugehörigen Geräteanschluß 13 darge stellt. Gemäß der dort dargestellten Ausführungsform ist die starre Leiterplatte 16 an ihren äußeren, der flexiblen Leiterplatte 12 gegenüberliegenden Rändern an diese angelötet. Als Lötmaterial für diese Lötstellen 17 wird vorzugsweise eine Lötpaste verwendet.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform weist die starre Leiter platte 16 zur Kontaktierung mit der flexiblen Leiterplatte 12 durchkontaktierte Bohrungen auf. Die Bohrungen durchsetzen die starre Leiterplatte 16 in axialer Richtung.

Auf die flexible Leiterplatte 12 wird an den Stellen, auf welche die Bohrungen der starren Leiterplatte 16 aufgesetzt werden, Lötpaste aufgetragen. Beim Auf bringen der starren Leiterplatte 16 auf die flexible Leiterplatte 12 dringt die Lötpaste in die durchkontaktierten Bohrungen ein und stellt so die elektrische Verbindung her.

Die starre Leiterplatte 16 weist weitere vier durchkontaktierte Bohrungen 18 zur Aufnahme der Anschlußpins 15 des Geräteanschlusses 13 auf. Auch diese Bohrungen 18 durchsetzen die starre Leiterplatte 16 in axialer Richtung. Die flexible Leiterplatte 12 weist an den entsprechenden Stellen ebenfalls Bohrun gen 19 auf, so daß die Anschlußpins 15 jeweils die Bohrungen 18, 19 in beiden Leiterplatten 12, 16 durchsetzen. Die Durchmesser der Bohrungen 18 sind so bemessen, daß die Anschlußpins 15 in den Bohrungen 18 der starren Leiterplat te 16 formschlüssig anliegen. Die Leiterplatte 16 sitzt somit fest an den An schlußpins 15 auf und ist dabei in Abstand zur Frontseite des Geräteanschlus ses 13 angeordnet. Die starre Leiterplatte 16 verleiht dem Anschluß der Leiter platten 12, 16 an den Geräteanschluß 13 den notwendigen Halt, der allein durch die flexible Leiterplatte 12 nicht gewährleistet wäre. Die Querschnittschnitts fläche der starren Leiterplatte 16 ist an die Querschnittsfläche des Gerätean schlusses 13 angepaßt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die starre Leiterplatte 16 einen rechteckigen Querschnitt auf.

Die starre Leiterplatte 16 ist an einem freien Ende der flexiblen Leiterplatte 12 angeordnet. In diesem Abschnitt ist die flexible Leiterplatte 12 streifenförmig ausgebildet und weist in dem Bereich, in welchem die starre Leiterplatte 16 aufsitzt, eine Verbreiterung auf (Fig. 3).

Die Fertigung des erfindungsgemäßen Sensors 1 erfolgt in den folgenden Ver fahrensschritten. Zunächst erfolgt die Bestückung der flexiblen Leiterplatte 12. Dabei werden in einem Bearbeitungsvorgang die starre Leiterplatte 16, die elektronischen Bauteile zur Auswertung der optischen Signale des Sensors 1, der Sender 2, der Empfänger 3 sowie die Bauteile für das Bedienelement 9 und das Anzeigeelement 10 auf die flexible Leiterplatte 12 aufgebracht.

Hierzu wird zunächst Lötpaste an den Stellen der flexiblen Leiterplatte 12 auf gebracht, an welchen die einzelnen Komponenten aufgesetzt werden sollen. Danach erfolgt, vorzugsweise mittels eines Bestückungsautomaten, das Auf bringen dieser Komponenten auf die flexible Leiterplatte 12.

Danach wird die starre Leiterplatte 16 mit dem daran befestigten Teil der fle xiblen Leiterplatte 12 in eine Einpreßvorrichtung zentriert eingesetzt. Dann wird das Gehäuse 4 auf die starre Leiterplatte 16 aufgeschoben, so daß diese ihre vorgegebene Position innerhalb des Gehäuses 4 einnimmt.

Darauf wird der Geräteanschluß 13 in die Aufnahme im Boden des Gehäuses 4 bündig eingepreßt, so daß der Geräteanschluß 13 in der Aufnahme formschlüs sig anliegt. Dabei durchdringen die Anschlußpins 15 des Geräteanschlusses 13 die hierfür vorgesehenen Bohrungen 18, 19 in der starren und in der flexiblen Leiterplatte 12, 16. Durch dieses Einschieben entsteht eine mechanisch und elektrische Preßverbindung zwischen der starren Leiterplatte 16 und den An schlußpins 15 des Geräteanschlusses 13, so daß die starre Leiterplatte 16 in ihrer vorgegebenen Position befestigt ist. Daraufhin wird die Einpreßvorrich tung wieder entfernt.

In diesem Fertigungsstadium liegt der Großteil der flexiblen Leiterplatte 12 außerhalb des Gehäuses 4. Dabei ist die flexible Leiterplatte 12 so gestaltet, daß von dem auf der starren Leiterplatte 16 aufsitzenden Ende der flexiblen Leiterplatte 12 ein streifenförmiges Verbindungsstück zum Hauptkörper der flexiblen Leiterplatte 12 führt, an welchem die elektronischen Bauteile des Sensors 1 aufgebracht sind. Das streifenförmige Verbindungsstück ragt dabei durch die frontseitige Öffnung des Gehäuses 4.

Im nächsten Fertigungsschritt wird der Tubus 7 mit der Sende- 5 und Emp fangsoptik 6 versehen. Daraufhin wird der Hauptkörper der flexiblen Leiter platte 12 durch mehrmaliges Falten um den Tubus 7 gelegt.

Dabei werden der Sender 2 und der Empfänger 3 in ihren am Tubus 7 vorgese hene Positionen befestigt. Anschließend wird der Tubus 7 mit der flexiblen Leiterplatte 12 durch die frontseitige Öffnung in das Gehäuse 4 eingeschoben und dort arretiert. Hierzu sind im Gehäuse 4 nicht dargestellte Führungen vor gesehen. Abschließend wird die Frontscheibe 8 auf die Öffnung an der Front seite des Gehäuses 4 montiert.

Claims

1. Optoelektronischer Sensor mit einem in einem Gehäuse integrierten Sen der und/oder Empfänger und einer flexiblen Leiterplatte (12) sowie mit wenigstens einer starren Leiterplatte (16) zur Aufnahme von elektroni schen Bauteilen, bei der auf der flexiblen Leiterplatte (12) die wenigstens eine starre Leiterplatte (16) im Bereich ihres gesamten Randes, der der flexiblen Leiterplatte (12) gegenüberliegt, aufsitzt und diese Leiterplatten (12, 16) über Lötstellen (17) miteinander verbunden sind.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Leiterplatte (16) durchkontaktierte Bohrungen zum Anlöten an die flexible Leiterplatte (12) aufweist.

3. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die flexible Leiterplatte (12) an vorgegebenen Positionen Lötpaste aufgebracht ist, auf welche die elektronischen Bau teile und die starre Leiterplatte (16) aufgebracht sind.

4. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötpaste auf der flexiblen Leiterplatte (12) beim Aufbringen der starren Leiterplatte (16) in die durchkontaktierten Boh rungen der starren Leiterplatte (16) eindringt und so die Lötstellen (17) bildet.

5. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge kennzeichnet, daß die starre Leiterplatte (16) durchkontaktierte Bohrun gen (18) zur Aufnahme der Anschlußpins (15) eines Geräteanschlusses (13) aufweist, und daß die flexible Leiterplatte (12) Bohrungen (19) zur Aufnahme der Anschlußpins (15) aufweist.

6. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpins (15) des Geräteanschlusses (13) die Bohrungen (18, 19) der starren und der flexiblen Leiterplatte (16, 12) durchsetzen.

7. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpins (15) formschlüssig in den Bohrungen (18) der star ren Leiterplatte (16) anliegen.

8. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der starren Leiterplatte (16) an die Querschnittsfläche des Geräteanschlusses (13) angepaßt ist.

9. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch ge kennzeichnet, daß die flexible Leiterplatte (12) mehrfach gefaltet im In neren des Gehäuses (4) liegt.

10. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Sensors gemäß ei nem der Ansprüche 1-9 gekennzeichnet durch folgende Verfahrens schritte:

1. Aufbringen von Lötmaterial an vorgegebenen Positionen auf der fle xiblen Leiterplatte (12);
2. Bestücken der flexiblen Leiterplatte (12) mit den elektronischen Bau teilen und der starren Leiterplatte (16), wobei durch den Kontakt mit dem Lötmaterial die Lötstellen (17) gebildet werden;
3. Einbringen der starren Leiterplatte (16) mit der daran befestigten flexiblen Leiterplatte (12) in das Gehäuse (4).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die starre Leiterplatte (16) mit dem daran befestigten Teil der flexi blen Leiterplatte (12) in eine Einpreßvorrichtung eingesetzt wird,
daß das Gehäuse (4) auf die starre Leiterplatte (16) aufgeschoben wird,
daß der Geräteanschluß (13) in die starre Leiterplatte (16) eingepreßt wird, wonach die Einpreßvorrichtung entfernt wird,
daß der über die starre Leiterplatte (16) herausstehende Teil der flexiblen Leiterplatte (12) unter mehrmaligem Falten in das Gehäuse (4) eingelegt wird,
und daß das Gehäuse (4) nach Einbringen sämtlicher Komponenten des optoelektronischen Sensors (1) durch Aufbringen einer Frontscheibe (8) verschlossen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeich net, daß der Sender (2) und 1 oder der Empfänger (3) auf der flexiblen Leiterplatte (12) aufgebracht sind.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Leiterplatte (12) um einen Tubus (7), der eine Sende- (5) und/oder Empfangsoptik (6) aufnimmt gefaltet wird, und die so gebilde te Einheit durch die frontseitige Öffnung des Gehäuses (4) in dessen In nenraum eingeschoben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frontscheibe (8) auf die frontseitige Öffnung des Gehäuses (4) aufgesetzt und dort befestigt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmaterial von einer Lötpaste gebildet ist.