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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten
Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten für die Kraftfahrzeugindustrie
besteht häufig die Notwendigkeit, die elektronischen Komponenten den
unterschiedlichen Spezifikationen der Kraftfahrzeughersteller anpassen zu können.
Dabei betreffen diese Spezifikationen beispielsweise bei einem Steuergerät häufig
weniger das Steuergerät selbst, als vielmehr die Anordnung der dem Steuergerät
zugeordneten Aktoren und Sensoren, die außerhalb des Gehäuses des
Steuergerätes mittels mit dem Steuergerät verbunden Haltern positioniert und elektrisch mit
dem Steuergerät kontaktiert werden.
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Die Halter sowie die elektrische Kontaktierungen müssen dabei resistent gegen
Motoröl, Getriebeöl und Wasserdampf sein, und sollten für den Betrieb bei hohen
Temperaturunterschieden ausgelegt sein
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Als Halter und zugleich elektrische Kontaktierung von einem Steuergerät
zugeordneten Aktoren und Sensoren können vorteilhaft Stanzgitter verwendet werden, wie es
beispielsweise in der Druckschrift DE 195 15 622 beschrieben ist.
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Dabei wird die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen eines
Steuergerätes sowie den Kontaktflächen der Aktoren und Sensoren mittels aus dem Gehäuse
des Steuergerätes heraus geführten Stanzgittern hergestellt. Die Stanzgitter können
dabei fast in jede Form gebracht werden, weisen eine hohe mechanische Stabilität
auf und können mit hohen Strömen beaufschlagt werden.
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Der wesentliche Nachteil der Stanzgittertechnik als Halter für einem Steuergerät
zugeordneten Sensoren und Aktoren besteht darin, daß die Herstellung der
Werkzeuge zum Stanzen der aus Kupfer bestehenden Stanzgitter sehr teuer ist, wodurch
Steuergeräte mit Stanzgittern nur bei einer hohen herzustellenden Stückzahl
kostengünstig gefertigt werden können. Bereits kleine Änderungen in der Form eines
Stanzgitters bedeuten einen sehr hohen Aufwand und sind oft nicht wirtschaftlich
durchzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum elektrischen Verbinden
einer ersten Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 anzugeben, das für kleine Stückzahlen kostengünstig
anzuwenden ist, und daß eine einfache und kostengünstige Änderung der Verbindung
zweier Kontaktflächen ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Kennzeichen des
Patentanspruches 1 gelöst.
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Demnach wird der Verbindungsdraht von einer Verbindungsvorrichtung zwischen
der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche in einer Aussparung
abgelegt, die in einer beispielsweise von einem Kunststoffträger gebildeten Ablagefläche
ausgebildeten ist. Die Aussparungen weisen dabei beispielsweise den gleichen
Querschnitt wie der verwendete Verbindungsdraht auf, wodurch der
Verbindungsdraht weitgehend umschlossen, und dadurch vor Kurzschlüssen sowie vor
mechanischen Beschädigungen weitgehend geschützt ist. Die Verbindungsvorrichtung muß
dabei beispielsweise mittels eines Roboterarms sehr genau positioniert werden
können.
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Alternativ kann der Verbindungsdraht von der Verbindungsvorrichtung zwischen der
ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zwischen auf der Ablagefläche
ausgebildeten Ausformungen abgelegt werden. Diese Ausformungen, die in ihrer
Höhe die Dicke des Verbindungsdrahtes beispielsweise um das zweifache
übersteigen, bewirken ebenfalls einen Schutz vor Kurzschlüssen und vor mechanischen
Beschädigungen, wobei die Verbindungsvorrichtung beim Verlegen des
Verbindungsdrahtes nicht so genau Positioniert werden muß.
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Dabei ist vorgesehen, daß der Verbindungsdraht von der Verbindungsvorrichtung
zuerst mit einer ersten Kontaktfläche verbunden wird, daß anschließend der
Verbindungsdraht in die Aussparung der Ablagefläche oder zwischen die Ausformungen
der Ablagefläche abgelegt wird, und daß danach der Verbindungsdraht mit einer
zweiten Kontaktfläche verbunden wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Verbindungsdraht zur Kompensation thermischer Ausdehnung so auf der Ablagefläche
abgelegt wird, daß der Verbindungsdraht in der Ebene der Ablagefläche mindestens
eine Schlaufe bildet. Bei einer Abkühlung und dadurch bedingten Zusammenziehen
des Verbindungsdrahtes kann so die Verbindungen zwischen den Kontaktflächen
und dem Verbindungsdraht nicht abreißen, sondern es zieht sich lediglich die
Schlaufe zusammen. Dabei werden die Aussparung in der Ablagefläche oder die
Ausformungen auf der Ablagefläche zur Aufnahme der mindestens einen Schlaufe
ausgebildet.
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Alternativ kann zur Kompensation thermischer Ausdehnung der Verbindungsdraht
von der Verbindungsvorrichtung spiralisiert oder in Wellen abgelegt werden, wobei
die Aussparung in der Ablagefläche so bemessen wird, daß der spiralisierte oder
gewellte Verbindungsdraht aufgenommen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Verbindungsdraht fixiert wird, indem die Aussparung oder die Ausformungen durch
Warmverstemmen zumindest partiell plastisch verformt wird und dort den
Verbindungsdraht einklemmt.
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In einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Verbindungsdraht zur elektrischen Isolation mit einem beispielsweise elastischen
Material abgedeckt wird.
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Zudem kann zur elektrischen Isolation des Verbindungsdrahtes vor dem Ablegen des
Verbindungsdrahtes in die Aussparung der Ablagefläche oder zwischen die
Ausformungen der Ablagefläche ein Isolierlack aufgetragen wird. Der Isolierlack weist
dabei zusätzlich eine den Verbindungsdraht fixierende Wirkung auf.
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In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der
Verbindungsdraht mit den Kontaktflächen durch die Verbindungsvorrichtung mittels
Laserschweißen verbunden wird.
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Das beschriebene Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten Kontaktfläche
mit einer zweiten Kontaktfläche mittels einem von der Verbindungsvorrichtung
geführten Verbindungsdraht kann auch bei der Herstellung kleiner Stückzahlen
kostengünstig angewendet werden, wobei eine Änderung beispielsweise in der Lage
der Kontaktflächen durch Umprogrammieren des Roboterarms einfach und
kostengünstig durchgeführt werden kann.
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Im folgenden ist das Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten
Kontaktfläche mit einer zweiten Kontaktfläche anhand von zwei Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit drei Figuren dargestellt und erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung der von einem Roboterarm geführten
Schweißvorrichtung zum Verbinden einer ersten mit einer zweiten
Kontaktfläche mittels eines Verbindungsdrahtes,
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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zwei Kontaktflächen
verbindenden Verbindungsdrahtes, der von einer Verbindungsvorrichtung in
Aussparung einer Ablagefläche verlegt wird,
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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zwei Kontaktflächen
verbindenden Verbindungsdrahtes, der von einer Verbindungsvorrichtung
zwischen Ausformungen einer Ablagefläche verlegt wird.
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Inder Fig. 1 ist eine als Schweißvorrichtung ausgeführte Verbindungsvorrichtung 6
zur Durchführung des Verfahrens zum Verbinden einer ersten Kontaktfläche mit
einer zweiten Kontaktfläche dargestellt. Die Schweißvorrichtung 6 ist auf einem
nicht dargestellten Roboterarm montiert, der es ermöglicht die Schweißvorrichtung
6 in beliebige Positionen zu bringen.
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Die Schweißvorrichtung 6 besteht aus einer Drahtvorschubeinheit 6.1, die im
Gehäuse der Schweißvorrichtung 6 angeordnet ist, und die den Verbindungsdraht 5
entsprechend den Bewegungen des Roboterarms zum Verlegen des
Verbindungsdrahtes 5 und entsprechend dem Materialbedarf beim Verschweißen des
Verbindungsdrahtes 5 mit einer Kontaktfläche von einer Vorratsrolle abwickelt.
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Der Verbindungsdraht 5 wird über eine Klemmeinheit 6.2 aus dem Gehäuse der
Schweißvorrichtung 6 herausgeführt, die den Verbindungsdraht 5 fixieren und
freigeben kann, wodurch der Verbindungsdraht beim Verlegen definiert gespannt
werden kann. An der Klemmeinheit 6.2 ist eine Abschereinheit 6.3 angeordnet, die den
Verbindungsdraht 5 nach dem letzten Verschweißen mit einer Kontaktfläche
abtrennt.
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Das Verschweißen erfolgt mittels einer Lasereinheit 6.4, die ebenfalls im Gehäuse
der Schweißvorrichtung 6 angeordnet ist. Die Lasereinheit 6.4 erzeugt einen
hochenergetischen Laserstrahl, der den Verbindungsdraht 5 sowie eine
Kontaktfläche im Bereich von Millisekunden partiell so stark erwärmt, daß das Material des
Verbindungsdrahtes 5 und das Material der Kontaktfläche partiell schmelzen,
ineinander verlaufen und dabei eine intermetallische Phase bilden, die frei von
Übergangswiderständen ist.
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Als Verbindungsdraht 5 wird beispielsweise ein Kupferdraht verwendet, der einen
Durchmesser von 0.5 Millimetern aufweist. Bei dieser Dicke besitzt der
Verbindungsdraht 5 eine ausreichende Eigenstabilität, so daß sich der Verbindungsdraht 5
beim Einwirken äußerer Kräfte nicht verformt. Dennoch muß beim Verlegen
mehrerer Verbindungsdrähte nebeneinander dafür Sorge getragen werden, daß
beispielsweise Metallspäne keinen Kurzschluß zwischen beieinander liegenden
Verbindungsdrähten verursachen. Zudem muß sich der Verbindungsdraht 5 entsprechend dem
auftretenden Temperaturdifferenzen ungehindert ausdehnen und zusammenziehen
können.
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In den Fig. 2 und 3 ist jeweils ein Steuergerät 9 eines automatischen Getriebes
eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Aus dem Gehäuse des Steuergerätes 9 sind
mehrere Kontakte herausgeführt, von denen drei Kontakte zum Kontaktieren eines
Hallsensors 8 vorgesehen sind. Einer dieser Kontakt ist exemplarisch als erste
Kontaktfläche 1 bezeichnet. Der entsprechend drei Kontakte aufweisende
Hallsensors 8 sensiert das Magnetfeld von mehreren auf einer Welle angeordneten
Permanentmagneten. Aus dem Signal des Hallsensors 8 bestimmt das Steuergerät 9
beispielsweise die Drehzahl und die Beschleunigung der Welle. Einer der Kontakte
des Hallsensors 8 ist exemplarisch als zweite Kontaktfläche 2 bezeichnet.
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Zur Befestigung des Hallsensors 8 direkt bei der Welle ist an dem Gehäuse des
Steuergerätes 9 ein eine Ablagefläche aufweisender Halter 7 ausgebildet, an dessen
äußerem Ende der Hallsensor 8 befestigt ist.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung aus Steuergerät 9 und Hallsensor 8 mit einem Halter 7,
in dem für die drei zu verbindenden Kontakte des Steuergeräts 9 und des
Hallsensors 8 zur Aufnahme der drei Verbindungsdrähte 5 drei Aussparungen 3
ausgearbeitet sind.
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Zum Verbinden der ersten Kontaktfläche 1 mit der zweiten Kontaktfläche 2 fährt der
Roboterarm die Schweißvorrichtung 6 in die Position, in der das freie Ende des
Verbindungsdrahtes 5 der Vorratsrolle der Schweißvorrichtung 6 auf der ersten
Kontaktfläche 1 zur Auflage kommt. Durch die Lasereinheit wird der
Verbindungsdraht 5 fest mit der ersten Kontaktfläche 1 verschweißt. Danach führt der
Roboterarm die Schweißvorrichtung 6 über den Halter 7, wobei die Drahtvorschubeinheit
den Verbindungsdraht 5 genau so abrollt, daß sich der Verbindungsdraht 5 in die
vorgesehene Aussparung 3 legt.
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Zur Kompensation thermischer Ausdehnung weißt jede der Aussparungen eine
Ausgestaltung auf, in die der Verbindungsdraht in Form einer Schlaufe 10 abgelegt
werden kann. Da der Verbindungsdraht 5 beim Verlegen Raumtemperatur aufweist,
und später Temperatur von bis zu 150 Grad Celsius ausgesetzt ist, nimmt die
Schlaufe 10 beim Verlegen lediglich den halben zur Verfügung stehenden Platz der
Ausgestaltung ein.
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Zur zusätzlichen Isolierung und zur Fixierung des Verbindungsdrahtes 5 kann die
Ausformung 3 und die Ausgestaltung mit einem elastischen Isolierlack gefüllt
werden.
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Als Alternative zur Ausgestaltung kann der Verbindungsdraht 5 zur Kompensation
thermischer Ausdehnung zumindest Stückweise von einer Zusatzvorrichtung an der
Schweißvorrichtung 6 entlang seiner Längsachse spiralisiert werden, wobei die
Aussparungen 3 entsprechend breiter ausgebildet werden müssen.
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Fig. 3 zeigt die gleiche Anordnung aus Steuergerät 9, Hallsensor 8 und Halter 7,
wobei zur gegenseitigen Isolation der Verbindungsdrähte 5 vor Kurzschlüssen
mehrere Ausformungen 4 auf dem Halter 7 ausgebildet sind. Der Halter 7 weist zudem
Öffnungen 11 auf, durch welche der Halter 7 dem Ölstrom im Gehäuse des
automatischen Getriebes weniger entgegensteht. Der Verbindungsdraht weist dabei eine so
hohe Eigenstabilität auf, daß er über den Öffnungen 11 im Halter 7 verlegt werden
kann.
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Zum Verbinden der ersten Kontaktfläche 1 mit der zweiten Kontaktfläche 2 fährt der
Roboterarm wieder die Schweißvorrichtung 6 in die Position zum Verschweißen des
freien Endes des Verbindungsdrahtes 5 mit der ersten Kontaktfläche 1. Danach
führt der Roboterarm die Schweißvorrichtung 6 über den Halter 7, wobei die
Drahtvorschubeinheit den Verbindungsdraht 5 so abrollt, daß sich der Verbindungsdraht 5
zwischen die Ausformungen 4 legt.
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Zur Kompensation thermischer Ausdehnung wird der Verbindungsdraht 5 einfach in
der Ebene der Ablagefläche des Halters 7 mit leichten Wellen abgelegt. Eine
zusätzliche Fixierung des Verbindungsdrahtes 5 kann beispielsweise durch
Warmverstemmen an wenigen Stellen des aus Kunststoff bestehenden Materials des Halters 7
erfolgen. Alternativ kann der Verbindungsdraht 5 mit einem elastischen
Abdeckmaterial fixiert werden.
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Tritt bei der Serienherstellung die Notwendigkeit auf die Position des Hallsensors 8
zu verändern, muß lediglich der Halter 7 entsprechend angepaßt werden. Der
Veränderte Verlauf der Verbindungsdrähte zur Kontaktierung einer ersten Kontaktfläche
1 mit einer zweiten Kontaktfläche 2 wird in einfacher Weise durch eine
Umprogrammierung des die Schweißvorrichtung 6 tragenden Roboterarms erreicht.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum elektrischen Verbinden einer ersten
Kontaktfläche 1 mit einer zweiten Kontaktfläche 2 können auch Kleinserien
kostengünstig gefertigt werden, wobei Änderungen in der Lage der Kontaktflächen
kurzfristig vorgenommen werden können.