DE102010028151A1

DE102010028151A1 - Spule mit einem Kern

Info

Publication number: DE102010028151A1
Application number: DE102010028151A
Authority: DE
Inventors: Thomas Pfauch; Thomas Ragg; Marco Völker
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule mit einem Kern, insbesondere für einen induktiven Leitfähigkeitssensor, wobei die Spulenwicklungen als Leiterbahnen (6, 7) auf der oberen und/oder unteren Außenfläche der Leiterplatte (2) ausgebildet und zur Bildung einer durchgehenden Wicklung miteinander verbunden sind, während der Kern (10) vollständig in die Leiterplatte (2) eingebettet ist. Bei einer Spule, welche keine Veränderung der magnetischen Eigenschaften bei auftretenden mechanischen Spannungen erfän (10) beabstandet zu der Leiterplatte (2) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spule mit einem Kern, insbesondere für einen induktiven Leitfähigkeitssensor, wobei die Spulenwicklungen als Leiterbahnen auf der oberen und/oder unteren Außenfläche der Leiterplatte ausgebildet und zur Bildung einer durchgehenden Wicklung miteinander verbunden sind, während der Kern vollständig in die Leiterplatte eingebettet ist.
Aus der gattungsgemäßen DE 103 34 830 A1 ist eine Spule bekannt, die in einer planaren Fertigungstechnologie hergestellt wird. Dabei wird eine Spulenwicklung als Leiterbahnstruktur durch ein fotochemisches Verfahren auf eine Leiterplatte aufgebracht. In die Leiterplatte ist ein magnetischer Kern eingebettet, welcher vollständig vom Material der Leiterplatte umschlossen ist und dieses allseitig berührt.
Insbesondere bei induktiven Leitfähigkeitssensoren werden auf Grund ihrer begrenzten elektrischen Leitfähigkeit vorteilhaft Ferritkerne verwendet, welche aber eine hohe Sprödigkeit aufweisen, weshalb diese bei einer mechanischen Belastung sehr leicht reißen oder brechen. Eine solche mechanische Belastung tritt durch einen Pressdruck auf, wenn der Ferritkern in das Leiterplattenmaterial einlaminiert wird. Diese herstellungsbedingten mechanischen Spannungen führen zu einer unerwünschten dauerhaften Veränderung der magnetischen Parameter. Die Beschädigung des Ferritkernes kann dann nur durch die Verwendung von Kernen mit sehr kompakten Kernabmessungen unterbunden werden, die beispielsweise im Vergleich zum Volumen kleine Oberflächen aufweisen und zylinder- oder quaderförmig ausgebildet sind.
Mechanische Spannungen werden außerdem durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ferritkernes und des Leiterplattenmaterials hervorgerufen. Da die Ferritkerne eine starke magneto-elastische Wechselwirkung besitzen, bewirken die auf den Ferritkern durch das Leiterplattenmaterial übertragenen mechanischen Spannungen eine Veränderung der magnetischen Parameter.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Spule mit einem Kern anzugeben, welche keine Veränderung der magnetischen Eigenschaften bei auftretenden mechanischen Spannungen erfährt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an mindestens einer seiner Seiten der Kern beabstandet zu der Leiterplatte angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, dass durch den bestehenden Abstand eine mechanische Entkopplung des Kernes zu dem Leiterplattenmaterial erreicht wird, so dass weder herstellungsbedingten noch thermischen mechanischen Spannungen auf den Kern übertragen werden, der dadurch seine konstanten magnetischen Eigenschaften behält. Somit ist eine beschädigungsfreie Integration von dünnwandigen Kernen mit großen Seitenverhältnissen in die Leiterplatte möglich. Darüber hinaus ist eine Verwendung in induktiven Leitfähigkeitssensoren möglich. Da dünnwandige Kerne verwendet werden können, ist eine kleine Zellkonstante des Leitfähigkeitssensors möglich, was eine hohe Empfindlichkeit des Leitfähigkeitssensors nach sich zieht.
Vorteilhafterweise weist die Leiterplatte einen Hohlraum auf, in welchem der Kern so angeordnet ist, dass jede Seite des vorzugsweise ringförmig ausgebildeten Kerns einen Abstand zu der Leiterplatte aufweist. Dadurch wird der Kern vollständig von dem Leiterplattenmaterial entkoppelt, weshalb mechanische Spannungen, die auf die Leiterplatte einwirken, den Kern nicht beeinflussen. Beim Auftreten von thermischen Effekten können sich sowohl das Leiterplattenmaterial als auch der Kern ausdehnen ohne dass sie gegenseitig mechanische Spannungen aufeinander ausüben. Der Hohlraum bietet sowohl dem Kern als auch der Leiterplatte ausreichend Raum für eine thermische Ausdehnung.
Um eine lose Bewegung des Kernes in dem Hohlraum zu unterbinden, ist mindestens eine Seite des Kerns mittels eines Klebstoffes an der Leiterplatte fixiert.
In einer Ausgestaltung ist der Klebstoff flächig zwischen der einen Seite des Kernes und der Leiterplatte ausgebildet. Die Klebstofffläche ist dabei besonders dünn ausgebildet, um das Entstehen von mechanischen Spannungen, welche auf den Kern übertragen werden, zu unterbinden.
Alternativ ist der Klebstoff punktförmig zwischen der einen Seite des Kernes und der Leiterplatte ausgebildet. Durch die Bildung von einzelnen Punkten des Klebstoffes, beispielsweise von drei Klebstoffpunkten, die jeweils in einem Winkel von 120° zueinander beabstandet sind, wird eine leichte Fixierung des Kernes an der Leiterplatte vorgenommen, ohne dass mechanische Kräfte aufgenommen oder übertragen werden.
In einer Weiterbildung weist die Leiterplatte mindestens eine Bohrung auf, welche den Hohlraum mit der Umgebung der Leiterplatte verbindet. Eine solche Bohrung hat den Vorteil, dass beim Erwärmen der Leiterplatte, beispielsweise durch einen Lötprozess, bei welchem auf der Leiterplatte Bauelemente mit den Wicklungen der Spule verbunden werden, Verwölbungen von Teilen der Leiterplatte durch sich im Hohlraum ausdehnende Luft unterbunden werden. Die sich ausdehnende Luft wird durch die Entlüftungsbohrung an die Umgebung abgeleitet. Je nach Größe des Hohlraumes können mehrere Entlüftungsbohrungen über den gesamten Umfang des Hohlraumes verteilt werden.
Vorteilhafterweise ist der den Kern enthaltene Hohlraum annähernd durchgängig von einer Ummantelung begrenzt, welche innen an der Leiterplatte anliegt, wobei der Kern beabstandet zu der Ummantelung positioniert ist. Diese Ummantelung ist in die Leiterplatte eingebettet. Dies ermöglicht die Herstellung der Ummantelung mit dem Kern in einem gesonderten Arbeitsschritt, weshalb die Ummantelung vor deren Einlaminierung gefertigt werden kann. Da die Ummantelung ohne einen zusätzlichen Abstand direkt an dem Leiterplattenmaterial anliegt, werden Lufteinschlüsse in der Leiterplatte minimiert.
In einer Ausgestaltung ist die Ummantelung zweiteilig ausgebildet. Diese Ausbildung ermöglicht zunächst eine einfache Einbringung und Justierung des Kerns in einen offenen Teil der Ummantelung, welcher anschließend durch das zweite Teil abgeschlossen wird.
In einer Variante ist zwischen den beiden Teilen der Ummantelung eine elektrische Isolierung angeordnet. Diese Ausführung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Ummantelung aus Metall besteht. Durch die elektrische Isolierung wird die Entstehung von Wirbelströmen unterbunden, welche den gewünschten Messeffekt nachteilig beeinflussen.
In einer Weiterbildung ist die Ummantelung U-förmig ausgebildet und mit einer Abdeckung verschließbar. Eine solche Ummantelung ist konstruktiv einfach herstellbar und während des Laminierungsprozesses unkompliziert in das Leiterplattenmaterial einzubetten.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1: eine Spule mit einem in eine Leiterplatte integrierten Ferritkern
2: Anordnung des Ferritkernes in einem Hohlraum der Leiterplatte mit einer Ummantelung
3: Leiterplatte mit einem integrierten Ferritkern mit einer Entlüftungsbohrung
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine Spule 1, welche in einer Leiterplatte 2 ausgebildet ist. Die Leiterplatte 2 besteht aus drei Lagen, einer Decklaminatlage 3, einer Zwischenlaminatlage 4 und einer Unterlaminatlage 5, wobei die Zwischenlaminatlage 4 zwischen der Deck- 3 und der Unterlaminatlage 5 angeordnet ist. Die die Spule 1 bildenden Wicklungen bestehen aus Leiterbahnen 6 und 7, die auf der Decklaminatlage 3 bzw. der Unterlaminatlage 5 durch fotochemische Prozesse aufgebracht sind und zur Bildung von Wicklungen über mindestens eine Durchkontaktierung 8 elektrisch miteinander verbunden sind.
In die Zwischenlaminatlage 4 ist ein Hohlraum 9 eingefräst, in welchen ein ringförmiger Ferritkern 10 eingebracht ist. Der Ferritkern 10 ist dünnwandig und weist große Seitenverhältnisse auf. Beispielsweise beträgt der Außendurchmesser des Ferritkernes 10 29 mm, während sein Innendurchmesser 16–19 mm beträgt. Die Wanddicke beträgt annähernd 2 mm. Der Ferritkern 10 ist so in dem Hohlraum angeordnet, dass er mit keiner Seite die Lagen 3, 4, 5 der Leiterplatte 2 berührt, sondern in jede Richtung einen solchen Abstand aufweist, dass sich Ferritkern 10 und Leiterplatte 2 beim Auftreten von thermischen Verspannungen nicht berühren. Der Pressdruck, welcher bei der Aufbringung der Decklaminatlage 3 auf die Zwischenlaminatlage 4 ausgeübt wird, wird auf Grund des Hohlraumes 9 nicht auf den Ferritkern 10 übertragen.
Unterhalb des Ferritkernes 10 ist ein Klebstoff 11 in Form einer dünnen Wulst angeordnet, welche den Ferritkern 10 mit der Unterlaminatlage 5 verbindet, so dass der Ferritkern 10 fixiert ist und sich bei der Herstellung bzw. einer andersartigen Behandlung der Leiterplatte 2 nicht bewegen kann. Alternativ besteht eine nicht weiter dargestellte Möglichkeit darin, dass der Klebstoff 11 in Form von mehreren Punkten auf die Unterlaminatlage 5 aufgebracht ist und der Ferritkern 10 auf diese aufgedrückt wird. Bei einem ringförmigen Ferritkern 10 bieten sich drei in der Fläche verteilte Punkte an, die in einem Winkel von 120° zueinander beabstandet sind. Durch eine solche geringfügige Fixierung des Ferritkerns 10 an der Unterlaminatlage 5 wird verhindert, dass über den Klebstoff 11 Kräfte auf den Ferritkern 10 übertragen oder von diesem aufgenommen werden. Bei der Auswahl des Klebstoffes ist zu beachten, dass er für die Temperaturen, welche während des Herstellungsprozesses der Spule 1 auftreten, geeignet.
Die Herstellung einer solchen Leiterplatte 2 erfolgt in folgenden Schritten: Ausfräsen des Hohlraumes 9 in die Zwischenlaminatlage 4, Auflaminieren der Zwischenlaminatlage 4 auf die Unterlaminatlage 5, Aufbringen des Klebstoffes 11 auf die Unterlaminatlage 5 im Bereich des Hohlraumes 9 und Aufsetzen des Ferritkernes 10 auf den Klebstoff 11, Auflaminieren der Decklaminatlage 3 auf die Zwischenlaminatlage 4 und Abdeckung des Hohlraumes 9 durch die Decklaminatlage 3. Vorteilhafterweise erfolgt der Einbettungsvorgang des Ferritkernes 10 unter Vakuum, um Lufteinschlüsse in der Leiterplatte 2 zu minimieren.
Als Leiterplattenmaterial können beispielsweise handelsübliche Materialien verwendet werden, wie hartpapierbasierte Materialien (FR1, FR2 oder FR3), Glasfaser-Epoxybasierte Materialien (FR4 und FR5) oder flexible Platinenmaterialien. Als Klebstoff 11 werden vorzugsweise ein- oder zweikomponentige Silikone bzw. ein- oder zweikomponentige Vergussmassen eingesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 2 dargestellt ist, wird der Hohlraum 9 durch eine Ummantelung 12 abgegrenzt, wobei die Ummantelung 12 mit allen seinen Außenflächen an den Lagen 3, 4, 5 der Leiterplatte 2 anliegen kann und somit einen . stabilen Hohlraum 9 bildet. Auch bei dieser Ausführung ist der Ferritkern 10 annähernd mittig in dem von der Ummantelung 12 gebildeten Hohlraum 9 angeordnet, wobei der Klebstoff 11 auf dem Boden der Ummantelung 12 angebracht ist, welcher auf der Unterlaminatlage 5 der Leiterplatte 2 aufliegt. Der Ferritkern 10 wird auf dem Klebstoff 11 so positioniert, dass jede Berührung mit den Wänden der Ummantelung 12 unterbunden wird.
Die Ummantelung 12 wird vor der Einlaminierung in die Leiterplatte 2 als gesondertes Teil vorab hergestellt. Vorteilhafterweise ist zu einer einfachen Fertigung die Ummantelung 12 zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem U-förmigen Unterteil 13, in welchen der Ferritkern 10 mit dem Klebstoff 11 angeordnet wird. Nach dem Einbringen des Ferritkernes 10 in das U-förmige Unterteil 13 der Ummantelung 12 wird dieses mit einer flächig ausgebildeten Deckplatte 14 abgedeckt, welche mit der Decklaminatlage 3 luft- und wasserdicht verschlossen wird. Die Ummantelung 12 kann dabei aus den verschiedensten Materialien hergestellt werden. So sind Tiefziehteile aus Metall genauso möglich wie Drehteile aus Kunststoff oder Metall bzw. Frästeile aus Kunststoff oder Metall. Auch Guss- oder Spritzgussteile aus Kunststoff und Metall sind ebenso einsetzbar wie Sinterteile.
Alternativ kann die Ummantelung 12 aus zwei gleichgroßen U-förmigen Hälften ausgebildet sein, die mit ihrer Öffnung zueinander gelagert sind und den Ferritkern 10 umschließen. Eine weitere Ausführungsform der Ummantelung 12 besteht darin, dass diese aus zwei gleichen L-förmigen Hälften aufgebaut sind, deren gleichlange Seiten sich jeweils gegenüber liegen und so den Ferritkern 10 ummanteln.
3 entspricht in der prinzipiellen Darstellung der in 1 dargestellten Leiterplatte 2, in welcher der Ferritkern 10 in einen Hohlraum 9 einlaminiert ist, wobei der Ferritkern 10 mittels eines Klebstoffes 11 an der Unterlaminatlage 5 fixiert ist. Auch in diesem Beispiel berührt keine Seite des Ferritkernes 10 die ihn umgebenden Lagen 3, 4, 5 der Leiterplatte 2. Der Hohlraum 9 ist über eine Belüftungsbohrung 15, die sich durch die Decklaminatlage 3 erstreckt, mit der Umgebung verbunden. Es können auch mehrere Entlüftungsbohrungen über den gesamten Umfang des Hohlraumes 9 verteilt werden. Mit dieser Belüftungsbohrung 15 wird erreicht, dass sich bei der Einwirkung von Wärme auf die Leiterplatte 2, wie sie beispielsweise beim Löten entsteht, die sich im Hohlraum 9 ausdehnende Luft, an die Umgebung abgegeben wird. Eine Verwölbung der Decklaminatlage 3 wird dadurch zuverlässig verhindert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10334830 A1 [0002]

Claims

Spule mit einem Kern, insbesondere für einen induktiven Leitfähigkeitssensor, wobei die Spulenwicklungen als Leiterbahnen (6, 7) auf der oberen und/oder unteren Außenfläche der Leiterplatte (2) ausgebildet und zur Bildung einer durchgehenden Wicklung miteinander verbunden sind, während der Kern (10) vollständig in die Leiterplatte (2) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer seiner Seiten der Kern (10) beabstandet zu der Leiterplatte (2) angeordnet ist.
Spule nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) einen Hohlraum (9) aufweist, in welchen der Kern (10) so angeordnet ist, dass jede Seite des vorzugsweise ringförmig ausgebildeten Kerns (10) einen Abstand zu der Leiterplatte (2) aufweist.
Spule nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seite des Kerns (10) mittels eines Klebstoffes (11) an der Leiterplatte (2) fixiert ist.
Spule nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (11) flächig zwischen der einen Seite des Kernes (10) und der Leiterplatte (2) ausgebildet ist.
Spule nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff punktförmig zwischen der einen Seite des Kernes (10) und der Leiterplatte (2) ausgebildet ist.
Spule nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) mindestens eine Bohrung (15) aufweist, welche den Hohlraum (9) mit der Umgebung der Leiterplatte (2) verbindet.
Spule nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der den Kern (10) enthaltene Hohlraum (9) annähernd durchgängig von einer Ummantelung (12) begrenzt ist, welche innen an der Leiterplatte (2) anliegt, wobei der Kern (10) beabstandet zu der Ummantelung (12) positioniert ist.
Spule nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (12) zweiteilig ausgebildet ist.
Spule nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Teilen (13, 14) der Ummantelung (12) eine elektrische Isolierung angeordnet ist.
Spule nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (12) U-förmig (13) ausgebildet und mit einer Abdeckung (14) verschließbar ist oder das die Ummantelung (12) aus zwei gleichen U-förmigen Hälften oder aus zwei gleichen L-förmigen Hälften aufgebaut ist.