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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Wie in jedem elektronischen Gerät muss auch in einem optoelektronischen Sensor für eine ausreichende Abführung der während des Betriebs entstehenden Wärme gesorgt werden. Dafür ist für eine möglichst effektive thermische Anbindung an eine Wärmesenke zu sorgen, typischerweise eine Außenwand des Gehäuses. Die thermische Brücke bildet ein fließfähiges oder festes Wärmeleitmaterial. Das Wärmeleitmaterial wird dazu auf die Wärmesenke aufgebracht und dann die elektronische Komponente montiert oder umgekehrt.
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Je nach Konstruktion ergeben sich dabei jedoch Schwierigkeiten, etwa beim Einbau von Elektronikkarten in Profile oder einteilige Gehäuse. Wird eine Leiterplatte mit weichem Wärmeleitmaterial (Gapfiller) in ein Profil eingeführt, so wird dabei Material von der Leiterplatte geschoben. Das bewirkt nicht nur unerwünschte Verunreinigungen, sondern es kann sogar passieren, dass zu viel Masse abgetragen wird und dadurch der Kontakt zur gegenüberliegenden Fläche verloren geht. Das Wärmeleitmaterial könnte stattdessen auch nachträglich mit einer dünnen Dispensiernadel in den Spalt zwischen Elektronikkarte und Wärmesenke eingebracht werden. Das ist jedoch gerade bei kleinem Luftspalt nur schwer möglich. Im Endeffekt wird Wärmeleitmaterial den Luftspalt nicht ausreichend füllen und zugleich an Stellen gelangen, wo es nicht erwünscht ist.
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Bei alternativer Verwendung eines festen Wärmeleitmaterials (Gap-Pad) wird die Gefahr der Materialabtragung vermieden. Dafür ist nun für einen guten thermischen Übergang ein bestimmter Anpressdruck vonnöten. Die Montage eines entsprechend zusammengedrückten Gap-Pads wiederum bedarf besonderer Arbeitsschritte beziehungsweise Werkzeuge. Zudem sind gute Wärmeleitmaterialien hart. Um also überhaupt ein gewisses Verpressen zu erlauben, ist eine entsprechende Dicke zu wählen, wobei jedoch ein dickeres Material den thermischen Übergang verschlechtert.
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Aus der
US 5 646 826 A ist eine Anordnung einer Leiterkarte und einer Wärmesenke bekannt. Wenn sich beide schon in ihrer endgültigen Position zueinander befinden, wird ein wärmeleitfähiges Material von außen durch Öffnungen in den Zwischenraum eingespritzt. Es sind dabei allerdings keine Maßnahmen getroffen, um den Zwischenraum tatsächlich ausreichend zu füllen beziehungsweise die Kontaktbereiche mit dem wärmeleitfähigen Material zu benetzen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Wärmeabfuhr in einem optoelektronischen Sensor auf verbesserte Weise zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor nach Anspruch 1 gelöst. Der optoelektronische Sensor, beispielsweise ein Barcodescanner oder ein kamerabasierter Codeleser, umfasst ein elektronisches Bauteil und ein Gehäuseteil. Dabei handelt es sich um das betrachtete elektronische Bauteil, dessen Wärme abgeführt werden soll, der Sensor kann selbstverständlich mehr elektronische Komponenten aufweisen. Das Gehäuseteil wiederum fungiert als Wärmesenke und umfasst deshalb vorzugsweise, aber nicht zwingend eine Außenwand des Sensors. In dem dazwischenliegenden Hohlraum oder Spalt sorgt ein Füllmaterial (gap filler) für eine thermische Verbindung zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke, nämlich dem elektronischen Bauteil und dem Gehäuseteil. Das Füllmaterial ist durch mindestens eine Öffnung in dem Gehäuseteil und damit nachträglich eingefüllt, nachdem elektronisches Bauteil und Gehäuseteil sich bereits in ihrer Zielposition befinden.
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Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, in dem Hohlraum ein Führungselement anzuordnen, das für eine ausreichende Verteilung des Füllmaterials sorgt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ohne das Führungselement keine ausreichend gleichmäßige Benetzung der Kontaktbereiche an dem elektronischen Bauteil und dem Gehäuseteil erzielt wird und damit die Wärmeabfuhr unzureichend bleibt. Mit dem Führungselement hingegen kann erreicht werden, dass der Hohlraum samt den beidseitigen Kontaktbereichen von dem Füllmaterial erreicht wird.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine Anbindung erreicht wird, die den thermischen Pfad optimiert und die zugleich einfach und montagefreundlich bleibt. Durch das Führungselement verteilt sich das Füllmaterial auf beiden Seiten gleichmäßig und optimiert so die thermisch wirksame Fläche. Das nachträgliche Einbringen des Wärmeleitmaterials ermöglicht es, den Abstand zwischen den beiden zu verbindenden Kontaktbereichen oder -flächen minimal zu halten. Die Wärmeabfuhr ist somit bei großer Fläche und kleinem Abstand besonders wirksam. Indem das Füllmaterial im bereits verbauten Zustand durch eine Öffnung eingebracht wird, ist die Positionierung der Füllmaterials zugleich besonders einfach und besonders gezielt möglich.
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Das Füllmaterial weist vorzugsweise wärmeleitendes weiches Material auf, insbesondere eine Wärmeleitpaste. Durch die Fließfähigkeit des weichen Materials wird der mit dem Führungselement vorgegebene Teil des Hohlraums so gefüllt, dass es zu einer flächigen und nicht nur punktuellen Anbindung zwischen elektronischem Bauteil und Gehäuseteil kommt.
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Das elektronische Bauteil weist bevorzugt eine Leiterplatte auf. Auf der Leiterplatte sind die zu kühlenden elektronischen Komponenten bestückt. Wie schon erwähnt, kann der Sensor weitere elektronische Komponenten aufweisen, auch mehrere Leiterplatten, die wahlweise ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Konzept, einem anderen Konzept oder beispielsweise bei geringer Leistung auch gar nicht gekühlt werden.
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Das Führungselement bildet vorzugsweise einen Rahmen, insbesondere einen Metallrahmen. Der Rahmen umgibt vorzugsweise die Öffnung auf Seiten des Hohlraums.
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Das Führungselement weist bevorzugt eine rechteckige Form auf. Das ist in Herstellung und Anbringung besonders leicht zu handhaben. Außerdem haben die mit den Füllmaterial anzubindenden elektronischen Komponenten typischerweise ebenfalls eine rechteckige Form.
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Das Führungselement ist bevorzugt einseitig an dem Gehäuseteil oder dem elektronischen Bauteil angebracht oder aufgeklebt. Das Führungselement kommt damit ohne zusätzliche Montageschritte nach der gegenseitigen Montage von elektronischem Bauteil und Gehäuseteil von selbst in seine Zielposition. Dabei sind beide Möglichkeiten vorstellbar, also ein Führungselement auf dem Gehäuseteil, das dem elektronischen Bauteil zugewandt ist, oder umgekehrt ein Führungselement auf dem elektronischen Bauteil, das dem Gehäuseteil zugewandt ist.
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Das Führungselement berührt die gegenüberliegende Seite vorzugsweise nicht. Die Funktion des Führungselements ist, das Füllmaterial umzulenken und die Benetzung auf dem gegenüberliegenden Kontaktbereich zu verbessern. Ein Überfließen des Führungselements ist durchaus erlaubt und zur Herstellung einer Anbindung auch im Bereich des Führungselements sogar erwünscht. Ein Führungselement, das lückenlos zur gegenüberliegende Seite schließt, würde bei der Montage ähnliche Schwierigkeiten bewirken wie das Füllmaterial selbst bei den einleitend diskutierten Lösungen.
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Die Öffnung ist bevorzugt in dem Gehäuseteil nachträglich angebracht, insbesondere als Bohrloch, und nach dem Einfüllen des Füllmaterials wieder geschlossen. So kann das Gehäuse ohne Rücksicht auf die hier diskutierte thermische Anbindung hergestellt werden. Alternativ ist vorstellbar, die Öffnungen von vorneherein im Gehäuse vorzugsehen. Die Öffnungen werden vorzugsweise nach Einbringen des Füllmaterials verschlossen, damit die Außenseite des Gehäuses ohne Beeinträchtigung bleibt.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine Ansicht eines Codelesers über einem Förderband als Beispiel eines optoelektronischen Sensors;
- 2 eine dreidimensionale Ansicht eines elektronischen Bauteils und eines Gehäuseteils, zwischen denen eine thermische Anbindung bestehen soll;
- 3 eine Schnittansicht eines Hohlraums zwischen einem elektronischen Bauteil und einem Gehäuseteil, der von Füllmaterial nur unzureichend ausgefüllt ist;
- 4 eine dreidimensionale Ansicht eines Rahmens, der als Führungselement für eine verbesserte thermische Anbindung sorgt; und
- 5 eine Schnittansicht ähnlich 3, nun aber mit Einsatz eines Führungselements gemäß 4 und damit einer deutlich verbesserten Benetzung der Kontaktflächen des Hohlraums mit Füllmaterial.
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1 zeigt einen optoelektronischen Codeleser 10 in einer bevorzugten Anwendungssituation montiert über einem Förderband 12, welches Objekte 14, wie durch den Pfeil 16 angedeutet, durch den Erfassungsbereich 18 des Codelesers 10 fördert. Die Objekte 14 tragen an ihren Außenflächen Codebereiche 20, die von dem Codeleser 10 erfasst und ausgewertet werden. Aufgabe des Codelesers 10 ist, die Codebereiche 20 aufzunehmen und die dort angebrachten Codes auszulesen. Der Codeleser 10 kann ebenso in anderen Anwendungen ohne das Förderband 12 eingesetzt werden.
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Der Codeleser 10 erfasst mit einem Bildsensor 24 Bilddaten der geförderten Objekte 14 und der Codebereiche 20, die von einer Steuer- und Auswertungseinheit 26 mittels Bildauswertung und Decodierverfahren weiterverarbeitet werden. Über eine Schnittstelle 28 gibt der Codeleser 10 Informationen aus, wie gelesene Codes oder Bilddaten. Der Codeleser 10 kann alternativ nach irgendeinem anderen an sich bekannten Prinzip aufgebaut sein. Ohnehin ist der Codeleser 10 nur ein bevorzugtes Beispiel für einen optoelektronischen Sensor.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Gehäuseteils 30 und einer Leiterplatte 32 mit drei darauf bestückten Elektronikkomponenten 34 des Codelesers 10. Das ist rein schematisch zu verstehen, das Gehäuseteil 30 kann praktisch jede benötigte Form annehmen, und die Elektronikkomponenten 34 auf der Leiterplatte 32 stehen stellvertretend für irgendeine Elektronikkomponente des Codelesers 10, die der Kühlung bedarf, beispielsweise für den Bildsensor 24 oder Schaltungen beziehungsweise Chips der Steuer- und Auswertungseinheit 26. In dem Gehäuseteil 30 sind in Positionen entsprechend den Elektronikkomponenten 34 Öffnungen 36 angebracht. Diese Öffnungen entstehen beispielsweise als nachträgliche Bohrlöcher, oder sie sind bereits Teil des Designs und damit der Herstellung des Gehäuseteils 30.
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3 zeigt eine Schnittansicht im Bereich nur einer der drei Elektronikkomponenten 34 der 2. Um die Elektronikkomponente 34 zu kühlen, soll in den Hohlraum 38 ein wärmeleitendes Füllmaterial 40 eingebracht werden. Dieses Füllmaterial 40, beispielsweise eine Wärmeleitpaste, wird durch die Öffnung 36 in den Hohlraum 38 eingefüllt. Es zeigt sich jedoch, dass tatsächlich das Fließverhalten der zähen Masse nicht zu dem gewünschten Ergebnis einer guten thermischen Anbindung führt. Anders als erwartet benetzen nämlich nicht beide Kontaktbereiche sowohl an dem Gehäuseteil 30 als auch an der Elektronikkomponente 34 gleichmäßig. Es besteht lediglich ein unzureichender thermischer Kontakt nur in der unmittelbaren Umgebung der Öffnung 36. Zwar wird die untenliegende Elektronikkomponente 34 komplett benetzt, doch aufgrund des verbleibenden Luftspaltes verbessert dies die thermische Anbindung nicht. Eine Erhöhung der Rauigkeit durch Strahlen der Oberfläche verbessert dieses Verhalten nicht maßgeblich.
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4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Rahmens 42, der als Führungselement in den Hohlraum 38 eingebracht wird, um die Benetzung der Kontaktflächen und damit die thermische Anbindung zu verbessern. Der Rahmen 42 ist beispielsweise ein Blechbauteil, das wahlweise auf dem Gehäuseteil 30 oder der Elektronikkomponente 34 aufgeklebt oder auf andere Weise angebracht wird.
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5 zeigt eine Schnittansicht ähnlich 3, nun jedoch mit einem an dem Gehäuseteil 30 angebrachten Rahmen 42. Der Rahmen 42 fungiert als Führungselement oder Störstelle für das Fließen des Füllmaterials 40. An dieser Stelle wird nun das Füllmaterial 40 umgelenkt, so dass auch der restliche Bereich sich weiter und vorzugsweise vollständig füllt. Der Vergleich zwischen 3 ohne Rahmen 42 und 5 mit Rahmen 42 zeigt, dass der Rahmen 42 für eine gleichmäßige Füllung mit flächiger, nahezu gleicher Benetzung auf beiden gegenüberliegenden Kontaktflächen sorgt. Die zuvor nur punktuelle thermische Anbindung wird so ganz erheblich verbessert.
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Der Rahmen 42 muss die Höhe des Hohlraums 38 nicht komplett abdecken, wie auch dargestellt, d.h. die Gegenseite nicht unbedingt berühren. Dadurch würde die Montage erschwert. Der Rahmen 42 bildet somit nicht zwingend eine dichte Abgrenzung. Es genügt, wenn dadurch eine Kante oder Störstelle vorhanden ist, die das fließende Füllmaterial 40 führt oder umlenkt. Der Rahmen 42 ist also nur einseitig aufgebracht. Abweichend von 5 mit Anbringung auf dem Gehäuseteil 30 wäre aber auch denkbar, den Rahmen an der gegenüberliegenden Seite anzubringen, d.h. an der Elektronikkomponente 34.
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Die Öffnungen 36 über den zu kühlenden Elektronikkomponenten 34 sind vorzugsweise klein. Abweichend von den Darstellungen wäre denkbar, die Öffnung 36 gegenüber der zugehörigen Elektronikkomponente 34 versetzt anzuordnen, wobei dann das Füllmaterial 40 beim Einfüllen entsprechend auf die Elektronikkomponente 34 gelenkt werden muss. Nach dem Einfüllen werden die Öffnungen 36 vorzugsweise durch geeignete Materialien, Bauteile, Schilder oder dergleichen verschlossen, so dass der fertige Codeleser 10 nach außen unbeeinträchtigt erscheint. Zusätzlich zu dem Rahmen 42 kann es je nach eingesetzten Materialien oder Rauhigkeiten der Oberflächen erforderlich sein, die Bereiche einzugrenzen, in denen sich das Füllmaterial 40 bewegen darf.
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Die Effizienz der thermischen Anbindung hängt neben der Wärmeleitfähigkeit insbesondere des Füllmaterials von dem Abstand zwischen Elektronikkomponente 34 und Gehäuseteil 30 sowie der Größe der Kontaktfläche ab. Erfindungsgemäß ist sowohl dank des das nachträglichen Einfüllens durch die Öffnungen 36 ein besonders schmaler Hohlraum 38 möglich als auch durch die vollständige oder jedenfalls erheblich verbesserte Benetzung die Fläche maximiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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