Titel

Induktiver Näherunqssensor in integrierter Bauweise

Die Erfindung geht aus von einem Frontend für einen induktiven Näherungssensor bzw. Näherungsschalter sowie einem ein solches Frontend aufweisenden induktiven Näherungssensor bzw. Näherungsschalter, nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Auf dem Gebiet der Mess- und Steuertechnik sind induktive Näherungssensoren bzw. Näherungsschalter bekannt, die, im Gegensatz zu mechanisch betätigten, kontaktbehaftet ausgeführten elektrischen Schaltgeräten, berührungsfrei bzw. kontaktlos arbeiten.

Ein solcher Näherungsschalter ist aus DE 10 2006 040 550 A1 bekannt, mit dem sich erfassen lässt, ob sich ein elektrisch leitendes, in der Regel ein metallisches Objekt dem Näherungsschalter hinreichend weit genähert hat. In diesem Fall wird ein zu einer Auswerteschaltung gehörender elektronischer Schalter umgesteuert, wobei bei einem als Schließer ausgeführten Näherungsschalter der vorher nichtleitende elektronische Schalter leitend wird, wohingegen bei einem als Öffner ausgeführten Näherungsschalter der vorher leitende elektronische Schalter nunmehr sperrt. Nähert sich ein genanntes metallisches Objekt einem solchen induktiven

Näherungsschalter hinreichend weit, so steuert ein eine Schwingkreisspule aufweisender Oszillator den genannten elektronischen Schalter in der genannten Weise um. Dabei fließt in der Schwingkreisspule ein Wechselstrom von etwa 200 kHz. Der Wechselstrom baut im Umfeld der Schwingkreisspule ein

elektromagnetisches Wechselfeld auf. Wird in dieses Wechselfeld ein genanntes, elektrisch leitendes Objekt („Target"), zumeist eine Metalifahne, eingebracht, so werden in diesem nach dem Induktionsgesetz Wirbeiströme induziert. Dadurch wird dem Stromkreis des Oszillators, zu dem die Schwingkreisspule gehört, elektrische Energie entzogen bzw. dieser bedämpft, wodurch die Schwingungen des

Oszillators abklingen bzw. der Oszillator gegebenenfalls sogar ganz, aufhört zu schwingen.

Ferner geht aus DE 100 48 290 A1 ein induktiver Näherungssensor hervor, der eine in Form einer strukturierten leitenden Schicht einer Trägerplatine ausgebildete Sensorspule sowie eine Auswerteschaltung umfasst, welche mit der Sensorspule verbunden ist und eine mit Leiterbahnen versehene Schaltungsplatine aufweist. Insbesondere ist bei diesem Sensor vorgesehen, dass die Schaltungsplatine und die Trägerplatine quer zueinander verlaufen und dass mindestens eine Spule durch eine strukturierte, elektrisch leitende Schicht der Schaltungsplatine gebildet ist und in Form von Leiterbahnen in die Schaltungsplatine integriert ist.

Bei diesem bekannten Näherungssensor ist ferner vorgesehen, dass die die Sensorspule tragende Trägerplatine mittels zweier Lötverbindungen mechanisch starr und elektrisch mit der Schaltungsplatine verbunden ist, mittels derer wiederum die Sensorspule mit der Schaltungsplatine elektrisch verbunden ist und gleichzeitig eine mechanische Verbindung von Sensorspule und Schaltungsplatine geschaffen wird. Dadurch bilden die Sensorspule und die Schaltungsplatine eine gemeinsam handhabbare und im weiteren Fertigungsprozess in das Gehäuse als Einheit einsetzbare Einheit.

Offenbarung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hier betroffenes Frontend für einen induktiven Näherungsschalter, d.h. eine zum sensierenden Bereich des

Näherungssensors hin angeordnete Metallfrontfläche (=Frontend), bzw. einen aus einem solchen Frontend gebildeten Näherungssensor bzw. Näherungsschalter, gegenüber dem Stand der Technik kostengünstiger herstellbar zu machen, jedoch unter Beibehaltung der erforderlichen Genauigkeit bzw. Empfindlichkeit bei der Erfassung genannter sich annähernder Objekte.

Die Erfindung schlägt bei einem hier betroffenen induktiven Näherungssensor bzw. -Schalter insbesondere vor, durch Verwendung einer Leiterplattenspule (im

Folgenden„Printspule") einen besonders integrierten Aufbau des Frontends zu ermöglichen. Dabei ist insbesondere ein mit dem Frontend bzw. der metallischen Front baulich möglichst identisches, metallisches Beeinflussungselement angeordnet, mittels dessen die durch die metallische Front hervorgerufene Störung der Symmetrie hinsichtlich Position und Materialeigenschaften behoben wird. Das Beeinflussungselement ist bevorzugt in einer entsprechenden Leiterplatte integriert angeordnet und weist eine Öffnung zur Aufnahme wenigstens eines elektrischen Verbindungselementes auf, wobei mittels dieses Verbindungselementes eine Durchkontaktierung der Leiterplatte zu einer elektrischen Anschlussebene, die bevorzugt zur elektrischen Verbindung der Leiterplatte mit einer Steuerelektronik des Näherungssensors dient, erfolgt. In Bezug auf die Leiterplatte mit der erfindungsgemäß integrierten Spulenanordnung ist das Beeinflussungselement bevorzugt entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend zum Frontend angeordnet.

Ein erfindungsgemäßes Frontendsystem eines hier betroffenen Näherungssensors bzw. -Schalters kann daher vorteilhafterweise als Teil einer entsprechend integrierten Sensorgehäusefront, insbesondere eines Metallgehäuses, ausgebildet sein.

Die Erfindung ermöglicht die Kontaktierung einer hier betroffenen

Frontendleiterplatte durch ein genanntes metallisches Beeinflussungselement hindurch bei möglichst geringer Verkleinerung, bzw. sogar unter Maximierung, der Fläche des Beeinflussungselements, um wesentliche Sensoreigenschaften des Beeinflussungselements möglichst zu erhalten und diese Eigenschaften möglichst wenig durch die Kontaktierung zu verändern bzw. zu stören.

Gegenüber anderen an sich bekannten Lösungsansätzen, z.B. der Verwendung von Leiterplatten mit sogenannter„Starrflex"-Anbindung, hat die Erfindung den Vorteil, dass sie wesentlich kostengünstiger herstellbar ist, da sie keine gesonderte Anbringung des Beeinflussungselements erfordert, sowie ein relativ symmetrisches Beeinflussungselement mit einer großen Fläche ermöglicht.

Ein erfindungsgemäßes Frontend für einen induktiven Näherungssensor bzw. - Schalter sowie ein ein solches Frontend aufweisender induktiver Näherungssensor bzw. -Schalter eignen sich zur berührungsfreien bzw. kontaktlosen Erfassung der Annäherung von metallischen Objekten, insbesondere bei elektrischen und elektronischen Schalt-, Mess-, Steuer- und Regelkreisen, mit den hierin

beschriebenen Vorteilen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen

Frontends für einen induktiven Näherungssensor bzw. -Schalter. Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht eines ersten

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leiterplatte für ein in

Fig. 1 gezeigtes Fronend.

Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht eines zweiten

Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Leiterplatte für ein in

Fig. 1 gezeigtes Fronend.

Figur 4 zeigt eine seitliche Schnittansicht eines ein erfindungsgemäßes

Frontend aufweisenden Metallgehäuses, gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel.

Figur 5a, b zeigen eine Draufsicht (a.) sowie eine seitliche Schnittansicht (b.) eines ein erfindungsgemäßes Frontend aufweisenden

Metallgehäuses, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in Figur 1 gezeigte Frontend 100 umfasst eine auf einem Metallblech 101 aufgebrachte Leiterplatte 105. Auf der dem Metallblech 101 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 105 ist ein mit einer ersten Prepreg-Lage 1 10 abgedecktes, metallisches Beeinflussungselement 1 15 angeordnet. An der Übergangsseite der Leiterplatte 105 zum Metallblech 101 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine zweite Prepreg-Lage 1 13 angeordnet. Bei dem Werkstoff „Prepreg" handelt es sich bekanntermaßen um ein Glasfasergewebe, welches mit Epoxidharz getränkt ist. Auf dieser Seite der Leiterplatte 105 sind elektrische Kontaktflächen (126, 226 - 229 , 326 - 329) angeordnet, welche zur elektrischen Verbindung des Frontends 100 mit einer elektronischen Baugruppe (125) des Näherungssensors bzw.

Näherungsschalters dienen. Es ist anzumerken, dass die Anschlussebene 120 ebenfalls aus Prepreg gebildet sein kann. In diesem Fall sind auf der

Anschlussebene 120 genannte elektrische Kontaktflächen angeordnet.

In dem Beeinflussungselement 1 15 ist eine Aussparung 180 angeordnet, welche mit einem elektrischen Isolator, vorliegend Harz, befüllt ist. Die Aussparung 180 ermöglicht die Anordnung einer nachfolgend beschriebenen Durchkontaktierung mittels wenigstens eines Vias (Via = Vertical Interconnect Access) 135, 140 der Anschlussebene 120 mit der Leiterplatte 105.

Die Leiterplatte 105 ist in dem Ausführungsbeispiel mehrlagig ausgebildet und weist mehrere (vorliegend drei) Leiterbahnebenen 150, 155, 160 auf, wobei in der dritten Leiterbahnebene 160 eine in dieser Darstellung nicht zu sehende

Leiterplattenspule („Printspule") angeordnet ist. Zum Betrieb dieser Printspule sind in einem gestrichelt angedeuteten Bereich 146 der dritten Leiterbahnebene 160 angeordnete bzw. endende Vias 135, 140 mit der Anschlussebene 120 bzw. dort angeordneten Kontaktflächen (bzw.„Lötpads") 126 vorgesehen. Es ist

anzumerken, dass jede Leiterbahnebene eine Printspule sein kann. Die

Durchkontaktierungen mittels der Vias 130 - 145 verbinden diese Lagen

untereinander. Zusätzlich verbinden die Vias auch die elektrischen Kontaktflächen, z.B. gemäß dem Bezugszeichen 126, mit den Leiterbahnebenen bzw. der

Leiterplatte 105. Das Metallblech 101 und das Beeinflussungselement 1 15 können zusätzlich mit der Printspule und/oder der Anschlussebene 120 über weitere Vias 165, 175 verbunden sein, wobei gemäß Figur 2 wenigstens ein durchgehender Kontakt bzw. Leiter 230, 235, 240, 245 vorgesehen sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, das Beeinflussungselement 1 15 über ein Via 170 mit dem

Metallblech101 zu verbinden.

Es ist anzumerken, dass die mit dem Beeinflussungselement 1 15, den Prepreg- Lagen 1 10, 1 13 und der Anschlussebene 120 versehene Leiterplatte 105 eine eigenständig vermarktungsfähige Funktions- bzw. Baueinheit darstellt.

Das in Figur 2 in Draufsicht gezeigte, vorliegend runde Frontend 200 umfasst in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vier elektrische Kontaktflächen (sog.

„Lötpads") 226, 227, 228, 229 zur lötverbindenden Aufnahme der elektronischen Baugruppe (125) sowie eine im-Beeinflussungselement angeordnete Aussparung 280, die mit Harz gefüllt ist. Die Aussparung 280 weist in dem Ausführungsbeispiel vier Bereiche für Vias 230, 235, 240, 245, d.h. Kontaktlöcher zur

Durchkontaktierung einzelner Metallisierungsebenen, auf. Diese Kontaktlöcher 230 - 245 dienen insbesondere der Durchkontaktierung der (nicht gezeigten) Printspule mit einer in Figur 1 gezeigten Anschlussebene.

Es ist anzumerken, dass die Leiterplatte, je nach Anwendung, auch quadratisch oder reckeckförmig ausgebildet sein kann, da es vorliegend auf ihre äußere Form nicht ankommt.

Das in Figur 3 ebenfalls in Draufsicht dargestellte Frontend 300 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel wiederum vier elektrische Kontaktflächen 326, 327, 328, 329 zu dem bereits genannten Zweck. Im Unterschied zu Figur 2 sind in dem (in dieser Darstellung nicht zu sehenden) Beeinflussungselement vier Aussparungen 380, 385, 390, 395 angeordnet. Jede dieser Aussparungen 380 - 395 umfasst einen Bereich 330, 335, 340, 345 für einen genannten Via, und zwar wiederum zur genannten Durchkontaktierung der Printspule. Ein beschriebenes Frontend kann, wie in der Figur 4 gezeigt, in ein Metallgehäuse 410 integriert werden und ist damit gegen jegliche Au ßeneinflüsse geschützt so dass es z.B. auch in chemisch aggressiven Umgebungen sicher einsetzbar ist. Am unteren Ende des Metallgehäuses 410 gemäß der Ansicht in Figur 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel die wiederum auf einem Metallblech 401 im Wesentlichen stoffschlüssig angeordnete Leiterplatte 405 angeordnet. Das Metallblech 401 stellt die genannte Metallfrontfläche eines hier betroffenen Frontends dar. In Figur 4 ist zusätzlich die Anordnung eines bereits beschriebenen Beeinflussungselements 415 schematisch dargestellt.

Die Figuren 5a und 5b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines in ein

Metallgehäuse 500 integrierten Frontends. Die beiden Ausnehmungen bzw.

Bohrungen 505 dienen als Montagehilfe. Die in Figur 5b gezeigte Schnittansicht ergibt sich gemäß Figur 5a durch einen Schnitt entlang der Linie A-A. In dem Metallgehäuse 500 ist eine beschriebene Leiterplatte 515 direkt auf einer

Frontfläche 510, als Teile des gesamten Gehäuses 500 im Wesentlichen stoffschlüssig angeordnet. In Figur 5b ist zusätzlich ein bereits beschriebenes Beeinflussungselement 520 schematisch eingezeichnet.

Bei der Herstellung einer vorbeschriebenen Leiterplatte 105, 405, 515 wird, ähnlich wie bei der an sich bekannten Technik des„Insulated Metal Substrate" (IMS), ein als genanntes Beeinflussungselement dienendes Metallblech in die Fertigung der Printspule eingebunden. Dieses Blech ist zwischen zwei genannten PrePreg-Lagen angeordnet und ermöglicht die Erstellung einer vorbeschriebenen

Durchkontaktierung. Im Gegensatz zum Stand der Technik muss dazu nur ein relativ kleines Loch in das Beeinflussungselement eingebracht (z.B. gebohrt) werden. Im Ergebnis erhält man eine relativ platzsparende Kontaktierung zwischen Printspule und Anschlussebene.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines

erfindungsgemäßen Frontends eines induktiven Näherungssensors bzw. -Schalters beschrieben. Zunächst wird eine mehrlagige, und zwar wenigstens zweilagige Printspule auf einer Leiterplatte in an sich bekannter Weise hergestellt. Danach werden die Klebeflächen zwischen der Leiterplatte und dem Beeinflussungselement für den anschließenden Klebevorgang vorbereitet, ggf. einschließlich eines oder mehrerer Reinigungsschritte. Die Klebepartner des Klebevorgangs sind eine beschriebene PrePreg-Lage und ein beschriebenes Metallblech. Danach wird die Leiterplatte mit dem Beeinflussungselement, unter Einbringung z.B. eines PrePregs, unter Druck und Temperatur, zusammenfügt bzw. verpresst. Diese Fertigstellung erfolgt durch einen an sich bekannten Prozess in der Leiterplattenfertigung, wobei die im Beeinflussungselement vorhandene Bohrung mit Harz aufgefüllt wird. Gleichzeitig erfolgt das Verpressen einer weiteren PrePreg-Lage. Anschließend erfolgt das Bohren, Strukturieren und Galvanisieren einschließlich der Durchkontaktierung(en) des Frontends und der letzten Lage, jedoch ohne das Metallblech 101 . Schließlich wird das so gebildete Teilpaket mit einer weiteren PrePreg-Lage mit der Metallblech 101 verpresst.

Die Kontaktierungsebene wird entsprechend hergestellt, wobei die Leiterplatte mit dem Beeinflussungselement und einer genannten Prepreg-Lage verpresst wird.

Bezugszeichenliste

101 Metall blech

100 Frontend

105 Leiterplatte

1 10, 1 13 Prepreg-Lagen

1 15 Beeinflussungselement

120 Anschlussebene

125 Elektronische Baugruppe

126 Elektrische Kontaktflächen

180 Aussparung

130 - 145 Vias

146 Bereich der dritten Leiterbahnebene

150 - 160 Leiterbahnebenen

165 - 175 Vias

200 Frontend

201 Metall blech

226 - 229 Elektrische Kontaktflächen

280 Aussparung

230 - 245 Vias

300 Frontend

301 Metallblech

326 - 329 Elektrische Kontaktflächen

380 - 395 Aussparungen

330 - 345 Vias

400 Frontend

405 Leiterplatte

401 Metallblech

410 Metallgehäuse

415 Beeinflussungselement

500 Metallgehäuse

505 Ausnehmungen

510 Frontfläche

515 Leiterplatte łeeinflussungselement