DE102012208478A1

DE102012208478A1 - Übertragungselement

Info

Publication number: DE102012208478A1
Application number: DE201210208478
Authority: DE
Inventors: Reinhard Brandstätter; Gerhard Forstner; Michael Gschaider; Martin Traxler
Original assignee: Magna Interiors Management GmbH
Current assignee: Grupo Antolin Irausa SA
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Übertragungselements sowie ein Übertragungselement zur kontaktlosen Übertragung von Energie und/oder Daten, bei welchem die Energie- und/oder Datenübertragung mittels einer Spule erfolgt, die zur Übertragung in nahen Kontakt mit einer weiteren Spule gebracht wird, und die der Übertragung dienenden Bauteile von einem umspritzten Kunststoffmaterial umschlossen sind. Das Herstellverfahren sieht dabei vor, dass die der Übertragung dienenden Bauteile auf einem Baugruppenträger (7) angeordnet sind, dieser Baugruppenträger (7) in einem Freiraum (4), eine Kavität eines Spritzgusswerkzeuges (2, 6) eingelegt und fixiert wird, die Kavität (4) mit einem Kunststoff, vorzugsweise einem Thermoplasten gefüllt wird, und nach dem Härten des Kunststoffes das so entstandene Übertragungselement entnommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Übertragungselement nach dem Oberbegriff nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Die Übertragung von Energie und Daten erfolgt meist über elektrische Leitungen sowie galvanische Kontakte, welche als Stecker ausgebildet sind. Hierbei tritt bei der Verwendung von Steckkontakten das Problem auf, dass die Herstellung einer Verbindung zur Daten- und/oder Energieübertragung aufgrund der Anordnung der elektrischen Komponenten oft Montageschwierigkeiten hervorrufen. Ein weiteres Problem liegt in der Lebensdauer der Steckkontakte, die durch einwirkende Umwelteinflüsse wie z.B. Schmutz, Feuchtigkeit, diverse Öle aber auch Vibrationen beeinträchtigt und auf eine definierte Anzahl an Steckzyklen limitiert ist.
Steckkontakte an problematischen Stellen unterliegen mitunter starker Korrosion die zu Kontaktschwierigkeiten führen. Des Weiteren sind die Zuleitungskabel bzw. Kabelbäume an Stellen an denen es zu Bewegungen der Kabeln kommt besonders hohen mechanischen Anforderungen ausgesetzt, welche über kurz oder lang zu einem Kabelbruch führen würden. Bei Bestromung derart beeinträchtigter Kabel- und Steckkontakte liegt ein wesentliches Sicherheitsrisiko durch die Gefahr eines Stromschlages vor.
Bei der kontaktlosen Übertragung von Daten besteht die Gefahr des unbefugten Auslesens von sicherheitsrelevanten oder schlicht persönlichen Daten bzw. der schadhaften Manipulation des Datenstroms durch Externe. Hierdurch kann beispielsweise ein Fehlverhalten einer Vorrichtung (zB. Aktuator, Sensorrückmeldung) ausgelöst werden, das zu einem Sicherheitsrisiko für den Benutzer führen kann.
Oft sind herkömmliche Kabelverbindungen aufgrund der eingeschränkten Usability für den Endkunden nicht erwünscht. Frei verlegte Kabel können den Bewegungsablauf des Benutzers stark einschränken (zB. Navigationsgerät wird zur Energieversorgung am Zigarettenanzünder eines Kraftfahrzeuges angeschlossen).
Bekannt sind Übertragungseinrichtungen, bei welchen die elektrische Energie und/oder Datensignale nach dem Prinzip eines geteilten Transformators in ein bewegliches Gerät eingespeist werden. Das Gerät weist hierzu eine Spule auf, welche bei vorgesehener Platzierung des Gerätes gegenüber bspw. einer Aufnahme mit einer aufnahmefesten Spule korrespondiert. Die Pole der Spule sind hierzu in möglichst nahen Kontakt zu bringen, damit die Energie möglichst verlustfrei in das mobile Gerät eingekoppelt wird. Derartige Übertragungseinrichtungen werden auch in Drehübertragern verwendet, um eine in einem drehbaren Teil untergebrachte Sensorik mit Strom zu versorgen und gleichzeitig die erfassten Daten an eine stationäre Auswertestation zu übertragen.
Elektronische Schaltungen werden zur Abschirmung gegenüber Umwelteinflüssen (z.b. Feuchtigkeit, Staub) in Kunststoffgehäuse eingegossen. Das Gehäuse ist in einem separaten Fertigungsschritt herzustellen, was insbesondere Werkzeugkosten bedingt. Auch bedingen Gießverfahren lange Aushärtezeiten bzw. kostenintensive Aushärteverfahren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Übertragungselement in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Ausführung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist ein Übertragungselement vorgesehen, bei welchem die Energie- und/oder Datenübertragung mittels einer Spule erfolgt, die zur Übertragung in nahen Kontakt mit einer weiteren Spule gebracht wird, und die der Übertragung dienenden Bauteile von einem Kunststoffmaterial umschlossen sind.
Das erfindungsgemäße Übertragungselement kann bspw. in die Rückseite eines mobilen Gerätes eingelassen sein. Dieses mobile Gerät wird dann in eine Funktionsposition gebracht, in der die Spule mit einer weiteren Spule korrespondiert, dass die so zusammengebrachten Spulen nach Art eines Transformators zur Energie- und/oder Datenübertragung zusammenwirken. Die Funktionsposition bzw. die der Funktionsposition dienende Aufnahme kann ebenfalls als ein nach der Erfindung ausgeführtes Übertragungselement ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß erfolgt das Umschließen der Bauteile in einem Spritzgußprozess, in welchem die einzuschließende Baugruppe in eine Kavität, in einen Freiraum eines teilbaren Werkzeugs eingelegt, mit speziellen Haltern temporär fixiert und sodann durch Einspritzen von Kunststoff umschlossen wird.
Die der temporären Fixierung der Baugruppe im Werkzeug dienenden Halter können als in einem oder beiden der Werkzeuge linear beweglich angeordnete Schieber bzw. Nadeln ausgebildet sein. Umfasst die zu umspritzende Baugruppe eine Platine bzw. ist die der Übertragung dienende Elektronik auf einer Platine angeordnet, so wirken die Schieber, die Nadeln bevorzugt auf die Platine ein. Die Schieber, die Nadeln können senkrecht auf die Ebene der Platine einwirken und entsprechend in dieser Richtung verfahrbar sein. Auch ist es möglich, die Platine an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten zu tragen. Entsprechend sind dann die Schieber, Nadeln in der Ebene der Platine beweglich gelagert.
Anstelle oder zur Unterstützung der Nadeln, der beweglich im Werkzeug gelagerten Schieber ist es gemäß einer Ausführung der Erfindung möglich, direkt auf der Platine Abstandhalter aus einem Kunststoff zu befestigen, welche die Lage der zu umspritzenden Baugruppe im Werkzeug definieren. Diese Halter werden direkt bei der Platinenproduktion aufgebracht oder vor dem Spritzvorgang montiert. Insbesondere können die Halter beim Bestücken einer Platine in SMD-Technik gesetzt werden. Auch können Bauteile ohne elektronische Funktion als Abstandhalter dienen, was eine Vereinfachung der Fertigung ergibt. Durch die beschriebenen Abstandhalter ist es möglich, die Komplexität des Hauptwerkzeuges herabzusetzen. Die Abstandhalter werden beim Umspritzen mitvergossen, was eine dichte Umschließung der vergossenen Baugruppe ergibt.
Die Abstandhalter können bevorzugt elastisch ausgebildet sein, was in einem bestimmten Maße einen Toleranzausgleich ergibt. Insbesondere beim Schließen der Werkzeughälften geben diese nach. Bevorzugt sind die Abstandhalter auch aus einem Kunststoff gefertigt, der bei einer niederen Temperatur schmilzt wie der Kunststoff, welche zum Umspritzen verwendet wird. Beim Umspritzen schmelzen dann die Halter und ergeben eine homogene Oberfläche. Hier können insbesondere die zuvor beschriebenen und in SMD-Technik gesetzten Bauteile aus einem entsprechend niedrig schmelzenden Material bestehen.
Die Einleitung von Kunststoff erfolgt über wenigstens einen in dem Werkzeug als Kanal ausgebildeten Anspritzpunkt. Ist die Baugruppe, die Platine kleiner als der vom zu umspritzenden Kunststoff zu füllende Freiraum, so umfüllt der über einen Anspritzpunkt zugeführte Kunststoff beide Seiten der Platine. Eine beidseitige bzw. verbesserte Füllung kann auch über mehrere Anspritzpunkte erfolgen, welche den durch die Platine geteilten Freiraum beidseitig füllen. Zur Erzielung einer guten Verteilung des zugeführten Kunststoffes können ferner als Heizspulen ausgebildete partielle Heizungen in einem oder beiden der Werkzeughälften angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Lösung kann in einem Kraftfahrzeug zur Anbindung eines mobilen Gerätes wie insbesondere einem Navigationsgerät, einem Smartphone, einer Dateneingabeeinrichtung, eines Anzeigeelementes verwendet werden. Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung innerhalb eines Kraftfahrzeuges beschränkt. Es lassen sich mit der Erfindung auch abnehmbare Bedieneinrichtungen an Haushaltsgeräten realisieren. Als Beispiel sei hier die elektrische Anbindung eines abnehmbaren Bedienteiles einer Kaffeemaschine genannt.
Erfindungsgemäß wird die elektronische Schaltung des Übertragungselementes direkt in ein Kunststoffmaterial, vorzugsweise einen Polymerwerkstoff unter Verwendung der Kunststoff-Spritzguss-Technologie eingebettet, sodass die elektronische Schaltung vollkommen mit Kunststoff ummantelt ist. Die Schaltung ist dann hermetisch dicht abgeschlossen und weitgehend gegenüber diversen Umwelteinflüssen unempfindlich.
Die elektronischen Komponenten werden in der Wandstärke eines Bauteils mit integriert ohne die wesentliche Form des eigentlichen Bauteils zu verändern. Dies ermöglicht eine dimensionale Verkleinerung von ganzen Geräten, da Gehäusehalterungen und extra Gehäuse entfallen können. Insbesondere ist so eine verlustfreie induktive Kopplung und somit Energieeinspeisung möglich, da das mobile Gerät mit der zugehörigen Spule in größte mögliche Annäherung zu der Spule einer Aufnahmevorrichtung gebracht wird. Dem beim mobilen Gerät sowie der das Gerät tragenden Aufnahme erfindungsgemäß ausgebildete Übertragungselement können zusätzlich Halteelemente zugeordnet sein, welche z.B. als formschlüssig miteinander zusammenwirkende Strukturen ausgebildet sind. Auch ist die Integration von Magneten als Halteelemente möglich.
Durch die Erfindung entstehen keine extra Werkzeugkosten für separate Gehäuse und dergleichen, und weniger Herstellungsschritte sowie eine wesentliche Einsparung im Zusammenbau von jenen Geräten, in welchen die elektronische Schaltung zum Einsatz kommt.
Die erfindungsgemäß umspritzten Bauteile werden bspw. auf einer Leiterplatte angeordnet, welche aus FR4 und FR5 (Epoxidharz + Glasfaser), aus Standardplatinenmaterial der Dicke 0,5 bis 2 mm bestehen. Auch kann eine Polyester Folienleiterplatte Dicke 0,2 mm inkl. Kupferbahnen/Leiterbahnen verwendet werden. Die Folien- bzw. Platinenleiterbahnmontage erfolgt über Fixierungsstifte. Als Bauhöhe (bei Platine 0,5 mm) ergibt sich: ab 2,5 mm (Abhängig von Anwendungselektronik – Bauteilabhängig), unter 2 mm ASIC Elektronik (Stückzahlabhängig). Die Mindestdicke der verwendbaren Leitungen beträgt leistungsabhängig ab 0,2 mm – Lackisolierdraht ohne zusätzlichen Isolierkunststoff – dadurch kein Anschmelzen der Leitungen möglich.
Versuche haben ergeben, dass Spritztemperaturen bis 300°C sowie Düsentemperaturen bis 330°C (bei Polycarbonat) möglich sind. Bei einer Platinentemperatur bis 350°C war kein Verschieben, kein Wegschwemmen der Bauteile festzustellen. Die Funktionalität war zu 100% gegeben. Werkzeugtemperatur 80°C – bis 160 bar Nachdruck – Polycarbonat. Verspritzbar sind Polycarbonat, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polypropylen.
Insbesondere ist als Spritztechnik seitlicher Folien- und Stranganguss möglich, wenn direkt auf die Elektronik gespritzt wird. Bei einer vollen Umspritzung kann ein 2K-Verfahren verwendet werden. Ein Füllen der Kavität erfolgt über Direktanguß, wobei die Elektronikhalteschieber nach dem Füllen der ersten Hälfte zurückgefahren werden und Platz frei machen zum vollen Befüllen. Der zweite Füllvorgang wird ohne öffnen der Kavität mittels gesteuerter Nadelverschlussdüse gefüllt.
Im Spritzguss oder Formpresswerkzeug wird die Elektronik so positioniert, dass es möglich ist die Elektronik zur Gänze mit Kunststoff zu umspülen, bis diese vollkommen dicht verschlossen ist. Im Speziellen wird die Halterung der Elektronikeinheit so ausgeführt dass diverse Schieberelemente während des Füllprozesses sequenziell gesteuert werden und je nach Bauteilform ein vollkommenes Füllen erlaubt wird.
Zusätzlich kann eine eventuell entstehende Fließnaht mittels partieller Heizung zum endgültigen Zusammenfluss gezwungen werden was die komplette Abdichtung der Elektronik ermöglicht.
Es können je nach Notwendigkeit auch Halterungsnadeln zur zusätzlichen Fixierung der Elektronikeinheit verwendet werden die dann durch den Spritzdruck aus dem Bauteil geschoben werden.
Auch besteht die Möglichkeit diverse Trägerfolien als Elektronikaufnahme einzusetzen welche in Folge als Dekorelement zur Verbesserung des optischen Erscheinungsbildes beitragen. Die Trägerfolie kann in farblichem und/oder strukturellem Design derartig gewählt sein, so dass das so entstandene Übertragungselement optisch passend in eine Umgebung, bspw. in ein Armaturenbrett oder ein sonstiges Innenverkleidungsteil eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden kann. Zusätzlich verbessert die Trägerfolie auch das Verhalten des Kunststoffes in Bezug auf Oberflächeneinfallstellen bei unterschiedlichen Bauteilhöhen der Elektronik.
Die zu verwendende Folie wird während des Umspritzens der Elektronik des erfindungsgemäßen Übertragungselementes in die entsprechende Werkzeughälfte eingesetzt. Die Designseite der Folie ist gegen die Werkzeugseite gerichtet. Damit bildet diese Seite der Folie nach Entnahme des Übertragungselementes die Außenseite.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Folie auf der Innenseite wenigstens eine der Übertragungsfunktion dienende elektronische Applikation aufweist, welche bspw. aufgedruckt oder als entsprechende Leiterbahnfolie aufgeklebt ist. Die elektronische Applikation kann bspw. als eine die Übertragung von Daten realisierende Antenne (Near Range) ausgebildet sein. Auch können elektrische Bauelement wie Widerstände oder Kondensatoren drucktechnisch appliziert werden. Letztlich ist es auch möglich, dass diskrete Bauelemente nach Art einer SMD-Technik auf der Folieninnenseite angebracht sind. Die Kontaktierung mit der Elektronik der Platine erfolgt über vor dem Umspritzen verlegte Leiterbahnen, Leiterbahnfolien oder durch von der Platine emporstehende Kontaktstifte, welche in Kontakt mit den auf der Folieninnenseite applizierten Leiterbahnen der Schaltung stehen.
Des Weiteren erfolgt die Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand der Zeichnungen.
1 zeigt ein Werkzeug 2, 6 mit einer Formtrennung 1 zur Erzeugung einer Spritzumgießung einer auf einem Baugruppenträger, einer Platine 7 befindlichen Elektronik, welche die Bauteile zur induktiven Energie- und/oder Signalübertragung trägt. Das Werkzeug besteht aus einer starren und einer bewegbaren Werkzeughälfte 2, 6. Die Platine 7 mit der Elektronik wird in den Freiraum 4 der bewegbaren Werkzeughälfte 6 eingelegt. Der Freiraum 4 für das Substrat, den Kunststoff ist mit einer Folie 8 ausgelegt, welche ein Design aufweist, bspw. die Farbe und/oder die Struktur der Umgebung des Teiles, in welches das Übertragungselement eingesetzt wird. Das Werkzeug wird geschlossen, in dem die bewegbare Werkzeughälfte 6 mit der eingelegten Elektronik 7 gegen die starre Werkzeughälfte 2 angestellt wird. Die Platine der Elektronik 7 wird mittels eines in der starren Werkzeughälfte 2 linear bewegbar gelagerten Schiebers 3 gehalten. Über einen als Kanal ausgebildeten Anspritzpunkt 5 wird der Freiraum 4 mit dem Kunststoff gefüllt. Der an die Platine 7 angestellte Schieber 3 verhindert, dass die Platine 7 durch das einströmende Kunststoffmaterial die vorgesehene Lage verlässt.
2 ist eine perspektivische Ansicht des mit der Folie 8 ausgekleideten Freiraumes 4 (1). Erkennbar ist die Platine 10 seitlich schmaler als die sie umgebende Folie 8, so dass der über den Anspritzpunkt 5 zugeführte Kunststoff beide Seiten der Elektronik 7 umgeben kann, also auch den Freiraum 4 hinter der Platine 7 (1). Nach dem Trennen der beiden Werkzeughälften 2, 6 ist die Elektronik 7 entsprechend der Geometrie des Freiraumes 4 mit Kunststoff umgossen und entsprechend der Auslegung mit der Folie 8 mit dieser umgeben.
Die 3 und 4 zeigen eine Variante des erfindungsgemäßen Umspritzverfahrens. Die Elektronik 7 wird in den Freiraum der starren Werkzeughälfte 2 eingesetzt und dort mit zwei oder mehreren linear beweglich gelagerten Nadeln 11 gehalten. Die Nadeln 11 sind in der Ebene der Platine der Elektronik 7 verfahrbar. Der Kunststoff wird über den Anspritzpunkt 5 dem Freiraum 4 zugeführt, wobei während des Einspritzens die Schieber 11 entsprechend dem Füllungsgrad des Freiraumes 4 herausgefahren werden, und zwar derartig, dass durch den einfließenden Kunststoff die Platine 7 gehalten und durch die weiter einfließende Masse nicht bewegt wird.
Eine weitere Ausgestaltung des Umspritzverfahrens zeigen die 5 und 6. Die Platine 7 wird durch in der beweglichen sowie der starren Werkzeughälfte 6, 2 gelagerte Schieber 3 gehalten, welche von diesen beiden Werkzeughälften 2, 6 aufeinander zu verfahren werden (6). Die Platine 7 ist kleiner als der die Kunststoffmasse aufnehmende Freiraum 4, so dass die Platine 7 mit der Elektronik vollständig von der über den Anspritzpunkt 5 zugeführte Kunststoffmasse umschlossen wird, wie dies im Schnitt in 5 gezeigt ist. Zusätzlich weist das Werkzeug wenigstens eine partielle Heizung 10 auf, durch welche der Fließprozess der in den Freiraum 4 eingeleiteten Kunststoffmasse verbessert wird.
Bezugszeichenliste

1: Formtrennung Werkzeug
2: starre Werkzeughälfte
3: Schieber
4: Freiraum, Kavität für Substrat, Umspritzter Bereich
5: Anspritzpunkt
6: bewegbare Werkzeughälfte
7: Platine, Elektronik, Baugruppenträger
8: Folie
9: Bereich neben Platine – Durchströmbereich für Kunststoff
10: partielle Heizung, Heizspule
11: Nadel, federbelastet
12: Schieber zur Halterung Klemmung – sequenziell gesteuert

Claims

Übertragungselement zur kontaktlosen Übertragung von Energie und/oder Daten, bei welchem die Energie- und/oder Datenübertragung mittels einer Spule erfolgt, die zur Übertragung in nahen Kontakt mit einer weiteren Spule gebracht wird, und die der Übertragung dienenden Bauteile von einem umspritzten Kunststoffmaterial umschlossen sind.
Übertragungselement nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens eine Außenseite des Kunststoffmaterials in Farbe und/oder Struktur entsprechend der Designumgebung, in welcher das Übertragungselement zu verwenden ist, gestaltet ist.
Übertragungselement nach Anspruch 1, bei welchem die wenigstens eine Außenseite des Übertragungselementes mit einer Folie bedeckt ist, welche spritztechnisch mit dem Kunststoff verbunden ist.
Übertragungselement nach Anspruch 3, bei welchem die Folie an ihrer Innenseite der Daten und/oder Energieübertragung dienende Leitungen und/oder Bauteile aufweist.
Übertragungselement nach Anspruch 4, bei welchem die auf der Innenseite der Folie applizierten Leitungen und/oder Bauteile gedruckt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Übertragungselements zur kontaktlosen Übertragung von Energie und/oder Daten, bei welchem die Energie- und/oder Datenübertragung mittels einer Spule erfolgt, die zur Übertragung in nahen Kontakt mit einer weiteren Spule gebracht wird, und die der Übertragung dienenden Bauteile von einem umspritzten Kunststoffmaterial umschlossen sind, nach einem der Ansprüche 1–5, bei welchem die der Übertragung dienenden Bauteile auf einem Baugruppenträger (7) angeordnet sind, dieser Baugruppenträger (7) in einem Freiraum (4), eine Kavität eines Spritzgußwerkzeuges (2, 6) eingelegt und fixiert wird, die Kavität (4) mit einem Kunststoff, vorzugsweise einem Thermoplasten gefüllt wird, und nach dem Härten des Kunststoffes das so entstandene Übertragungselement entnommen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Übertragungselements nach Anspruch 6, der Baugruppenträger (7) wird im Freiraum (4) des Spritzgußwerkzeuges (2, 6) mittels im Werkzeug (2, 6) beweglich gelagerten und auf den Baugruppenträger (7) einwirkenden Schiebern, Nadeln (3, 11) fixiert.
Verfahren zur Herstellung eines Übertragungselements nach Anspruch 7, die den Baugruppenträger (7) fixierenden Schieber, Nadeln werden während des Füllens der Kavität (4) mit Kunststoff bewegt.
Verfahren zur Herstellung eines Übertragungselements nach Anspruch 6, der Baugruppenträger (7) weist einen Abstandhalter auf, der die Position des Baugruppenträgers (7) im Freiraum (4) des Spritzgußwerkzeuges (2, 6) definiert.
Verfahren zur Herstellung eines Übertragungselements nach Anspruch 7, der Abstandhalter besteht aus einem thermoplastischen Material, welches bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt als der beim Umspritzen des Baugruppenträgers (7) verwendete Thermoplast.