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Die Erfindung betrifft eine Stromschiene für elektrische Komponenten, insbesondere für Beleuchtungsvorrichtungen, ein System aus Stromschienen für elektrische Komponenten, insbesondere für Beleuchtungsvorrichtungen und ein Verfahren zur Herstellung einer Stromschiene für elektrische Komponenten, insbesondere für Beleuchtungsvorrichtungen.
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Stromschienen sind bekannte Mittel zur Energieversorgung von und zum Energietransport zwischen elektrischen Bauteilen, die voneinander beabstandet angeordnet sind. Sie finden insbesondere auch Verwendung im Zusammenhang mit Beleuchtungsanordnungen im Gebäudeinneren, bei denen eine Vielzahl von Leuchtmitteln, beispielsweise von LEDs, und gegebenenfalls deren individuelle Steuerelektronik mit Strom versorgt werden muss.
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Insbesondere hat sich bei der Verwendung für Beleuchtungsanordnungen als zweckmäßig erwiesen, eine Stromschiene gewünschter Länge modular aufzubauen, d.h. durch Verbindung mehrerer Stromschienen miteinander bereitzustellen. Dies hat insbesondere zwei Gründe: einerseits wird dadurch bei der Montage, die z.B. oft als Überkopfmontage an der Decke eines Raumes vorgenommen werden muss, vermieden, dass mit unhandlich langen Stromschienen gearbeitet werden muss. Andererseits kann mit wenigen vorkonfektionierten Stromschienenlängen dann eine hohe Flexibilität im Hinblick auf die realisierbaren Gesamtlängen erreicht werden.
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Dieser Ansatz setzt voraus, dass Anschlussvorrichtungen in den Endbereichen der Stromschiene vorgesehen werden müssen, die insbesondere den Anschluss einer weiteren, insbesondere einer analog aufgebauten, Stromschiene, einer Stromversorgung und/oder eines Abschlussglieds erlauben. Dabei ist es wünschenswert, dass die Tatsache, dass es sich um eine zusammengesetzte Stromschiene handelt, für den Betrachter zumindest nicht unmittelbar erkennbar ist.
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Bekannt sind aus dem Stand der Technik Anschlussvorrichtungen in Form von Steckverbindungen, die ein Zusammenstecken in Verlaufsrichtung der Stromschiene ermöglichen, weil diese Verbindungsrichtung ein einfaches Kaschieren der Anschlussvorrichtungen ermöglicht. Diese Steckverbindungen bringen aber zwei Probleme mit sich: Einerseits muss in Verlaufsrichtung der Stromschiene Platz vorhanden sein, um eine solche Steckverbindung herstellen zu können. Eine Stromschiene, die z.B. über die gesamte Distanz zwischen zwei Wänden hinweg verläuft, kann nur vormontiert angebracht werden. Andererseits muss bei der Montage an der Decke oder der Wand eines Raumes oft die aktuelle Position der Anschlussvorrichtungen relativ zueinander erfühlt oder durch Probieren ermittelt werden, weil die Steckrichtung und die Blickrichtung des Montierenden auseinander fallen. Desweiteren sollen über eine solche Stromschiene abhängig von der gesamten Länge hohe Ströme transportiert werden, welche von herkömmlichen Steckverbindern oftmals nicht transportiert werden können.
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Die
WO2008/134809A1 offenbart ein elektrisches und mechanisches Verbindungssystem mit wenigstens einer Leiterplatte und komplementär zueinander ausgebildeten Verbindungsenden, wie sie speziell beim Aufbau von Leuchtdiodenketten Verwendung finden. Die
US2009/44969A1 beschreibt eine Leiterbahnplatte und eine Verbindungsstruktur zwischen gleichartigen Leiterbahnplatten. Die
DE10105621B4 offenbart eine elektrische Leiterplatte mit mehreren Leiterbahnen und mehreren diesen zugeordneten Verbindungselementen zur elektrischen Kontaktierung zumindest einer weiteren elektrischen Leiterplatte. Wärmeableitende Leiterplatten mit einem Kern aus metallischen Werkstoffen werden in der
DE3035749A1 beschrieben. Weiterer Stand der Technik ist in den Dokumenten
JP2001-102743A und
US6440775B2 offenbart.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Stromschiene und ein System von Stromschienen anzugeben, das einfach montierbar ist, hohe Ströme transportieren kann und gleichzeitig eine Kaschierung der Verbindungsbereiche ermöglicht, um dem Eindruck einer einstückig ausgeführten Stromschiene möglichst nahe zu kommen und ferner in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung solcher Stromschienen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stromschiene für eine Beleuchtungsvorrichtung und/oder andere elektrische Komponenten mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System von Stromschienen mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stromschiene, beispielsweise für eine Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Stromschiene für eine Beleuchtungsvorrichtung und/oder andere elektrische Komponenten weist mindestens einem Metallkern, der einen Leitungsabschnitt der Stromschiene mit einem ersten und einem zweiten Ende bildet, auf. Dabei ist an dem ersten und an dem zweiten Ende des Leitungsabschnitts jeweils eine Anschlussvorrichtung zum Zusammenfügen mit einer weiteren, analog aufgebauten Stromschiene oder eines Endglieds oder einer Stromversorgung vorgesehen. Das Vorsehen eines Metallkerns sorgt dabei dafür, dass neben einem guten Stromtransport eine Spreizung und auch ein Abtransport von Wärme, die von den einzelnen Leuchten der Beleuchtungsvorrichtung und/oder deren Steuerelektronik oder anderen an der Stromschiene angeordneten Elektronikbauteilen gut erfolgen kann.
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Erfindungswesentlich ist, dass die Anschlussvorrichtungen in den Metallkern integriert sind und dass die Anschlussvorrichtungen so ausgestaltet sind, dass die Anschlussrichtung, in der zwei solche Stromschienen mit ihren Anschlussvorrichtungen zusammengefügt werden können, senkrecht auf der Verlaufsrichtung des Leitungsabschnitts steht.
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Derartige Stromschienen können nicht nur für Beleuchtungszwecke verwendet werden, sondern überall dort, wo hohe Ströme übe eine längere Strecke über bzw. durch eine Leiterplatte geleitet werden sollen.
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Durch die Integration der Anschlussvorrichtungen in den Metallkern, die bevorzugt dadurch erreicht wird, dass die Anschlussvorrichtung einstückig mit dem Metallkern ausgeführt und besonders bevorzugt aus dem Metallkern herausgearbeitet ist, wird eine effektive Kaschierung der Verbindungsstellen leicht realisierbar.
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Dadurch, dass im Gegensatz zu den bekannten Stecksystemen die Anschlussrichtung nicht mehr längs zur Erstreckungsrichtung, oder mit anderen Worten nicht mehr an stirnseitig an der Stromschiene angeordnete und in Richtung senkrecht zur Stirnseite der Stromschiene miteinander verbindbaren Anschlussvorrichtungen erfolgt, fallen eine Blickrichtung des Montierenden bei der Montage an Wand oder Decke und die Anschlussrichtung, in der die Stromschienen zusammengefügt werden, zusammen, was die Montage signifikant vereinfacht.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung für Metallkerne, die einen Leitungsabschnitt der Stromschiene bilden, sind bandförmige, starre Metallabschnitte, insbesondere von der Art, wie man sie beim Zerschneiden einer selbsttragenden Metallplatte erhält. Als bandförmig werden insbesondere Metallquader angesehen, deren längste Seite die Länge und somit die Verlaufsrichtung bestimmt und deren kürzeste Seite die Dicke bestimmt, so dass die verbleibende Seite ihre Breite angibt und bei denen die Länge um ein Mehrfaches größer als die Breite ist und weiter die Breite um ein Mehrfaches größer ist als die Dicke.
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Das bevorzugte Material für die Metallkerne ist wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit Kupfer.
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Bevorzugt ist dabei, dass die Metallkerne außer an Kontaktflächen mit einer elektrisch isolierenden Schicht, insbesondere einem Dielektrikum, überzogen sind, die beispielsweise durch Fotolack gebildet sein kann. Dies stellt eine einfache Handhabbarkeit sicher, wobei die Verwendung eines Fotolacks als elektrisch isolierende Schicht erlaubt, Kontaktstellen für die Leuchtmittel und/oder auf der Stromschiene angeordnete Elektronikbauteile nach Bedarf an individuellen Positionen auf einfache Weise zu schaffen.
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Zu beachten ist insbesondere, dass anspruchsgemäß die Anschlussvorrichtungen zum Zusammenfügen der Stromschienen dienen, also eine direkte mechanische und elektrische Verbindung der Stromschienen miteinander sicherstellen und nicht lediglich an der Herstellung einer elektrischen Verbindung oder einer indirekten Verbindung über ein weiteres Bauteil beteiligt sind. Anschlussvorrichtungen in Gestalt von Ausnehmungen oder Pins die zur Aufnahme der männlichen oder weiblichen Kontakte eines Steckers, insbesondere einer Steckbrücke, dienen, leisten eine solche mechanische Verbindung nicht und sind somit nicht zum Zusammenfügen von Stromschienen geeignet.
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Allgemeiner lässt sich die Verlaufsrichtung einer Stromschiene für eine Beleuchtungsvorrichtung und/oder andere elektrische Komponenten auch als die lokale Richtung einer Kurve im Raum ansehen, längs derer die einzelnen Leuchtelemente angeordnet sind. In der Regel wird die entsprechend gestromte Stromschiene dann einen konstanten Querschnitt aufweisen, dessen Querschnittfläche an einem gegebenen Punkt im Raum senkrecht auf einer Tangente an der Raumkurve steht. Breite und Dicke der Schiene werden dann in der Regel durch die größere bzw. die kleinere Ausdehnungsrichtung des Querschnitts bestimmt.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metallkern in Richtung senkrecht zur Verlaufsrichtung des Leitungsabschnitts eine Querschnittfläche hat, die zwei parallel zueinander verlaufende Seiten aufweist und dass die Anschlussrichtung, in der zwei solche Stromschienen zusammengefügt werden können, senkrecht zu den zwei parallel zueinander verlaufenden Seiten, die den geringsten Abstand voneinander haben, steht. Insbesondere kann die Querschnittfläche die Form eines Rechtecks oder die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken haben.
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Da die parallel zueinander verlaufenden Seiten, die den geringsten Abstand voneinander haben, typischerweise die Anlageflächen einer Stromschiene für eine Beleuchtungsvorrichtung und/oder andere elektrische Komponenten an der Decke oder Wand bilden, ist diese Bedingung gleichbedeutend damit, dass die Anschlussrichtung gleich der Montagerichtung an der Decke oder Wand ist, was sicherstellt, dass der Monteur gewissermaßen automatisch die Anschlussvorrichtung bei der Montage im Blickfeld hat.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Anschlussvorrichtungen in Anschlussrichtung mindestens einen Vorsprung und/oder mindestens eine Ausnehmung aufweisen. Diese Maßnahme führt mit sich, dass bei geeigneter Dimensionierung und Ausgestaltung von Vorsprüngen und Ausnehmungen beim Zusammenfügen mehrerer Stromschienen über Anschlussvorrichtungen, von denen die eine mindestens einen Vorsprung und die andere mindestens eine Ausnehmung aufweist, die Vorsprünge und Ausnehmungen – also Vertiefungen, die insbesondere auch die Anschlussvorrichtung lokal durchsetzen können – der Anschlussvorrichtung ineinander greifen können, was erstens dazu beiträgt, die relative Orientierung der Stromschienen zueinander exakt zu definieren, so dass ein gerades und passgenaues Zusammenfügen vereinfacht wird, zweitens den elektrischen Kontakt verbessern kann und drittens ein Zusammenhalten zusammengefügter Anschlussvorrichtungen zweier solcher Stromschienen durch Wechselwirkung von Vorsprüngen und Ausnehmungen miteinander, z.B. durch eine Reib- oder Klemmwirkung oder Verspannung zwischen diesen, ermöglicht.
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Besonders geeignete Formen liegen vor, wenn der Vorsprung und/oder die Ausnehmung zylindrisch, konisch oder pilzförmig ist. Eine Klemmwirkung kann dann durch Wahl eines geeigneten Über- oder Untermaßes relativ zur zugehörigen Ausnehmung erreicht werden.
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Um einen auch langfristig guten elektrischen Kontakt sicherzustellen, ist es bevorzugt, wenn der Metallkern im Bereich der Anschlussvorrichtungen mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist. Wegen seiner herausragenden Kontakteigenschaften bietet sich insbesondere Gold als Beschichtung an.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Stromschiene derart ausgestaltet ist, dass die Ausdehnung der Stromschiene in Anschlussrichtung im Bereich der Anschlussvorrichtung allenfalls abschnittsweise gleich der und ansonsten kleiner als die Ausdehnung der Stromschiene in Anschlussrichtung in anderen Abschnitten der Stromschiene ist. Die Abschnitte des Bereichs der Anschlussvorrichtung, in denen bevorzugt die Ausdehnung der Stromschiene in Anschlussrichtung gleich der Ausdehnung der Stromschiene in anderen Abschnitten der Stromschiene ist, sind Vorsprünge, soweit sie vorhanden sind.
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Mit anderen Worten ist die Dicke der Stromschiene im Bereich der Anschlussvorrichtung mit Ausnahme der Oberflächenabschnitte, an denen etwaig vorhandene Vorsprünge angeordnet sind, bei dieser Ausgestaltung reduziert. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Dicke der Stromschiene in diesen Bereichen so reduziert ist, dass die Summe der reduzierten Dicke im Bereich einer Anschlussvorrichtung mit Vorsprüngen und der reduzierten Dicke im Bereich einer mit dieser verbindbaren Anschlussvorrichtung mit Ausnehmungen der Dicke im Mittelbereich der Stromschiene entspricht. Besonders gut ist dies gewährleistbar, wenn die reduzierte Dicke in den jeweiligen Bereichen der Anschlussvorrichtungen jeweils 50% der Dicke im Mittelbereich der Stromschiene entspricht.
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Dadurch, dass die Ausdehnung der anderen Bereiche der Anschlussvorrichtung in Anschlussrichtung kleiner ist, kann insbesondere durch entsprechende Dimensionierung erreicht werden, dass zwei über ihre Anschlussvorrichtungen zusammengefügte Stromschienen, bei denen die Vorsprünge der Anschlussvorrichtung der einen Stromschiene jeweils in Ausnehmungen aufgenommen sind, auch im so gebildeten Anschlussbereich dieselbe Gesamtdicke aufweisen wie in anderen Bereichen der Stromschienen, was maßgeblich zu einer Kaschierung der Übergänge beiträgt.
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Insbesondere kann dieses Merkmal bei Anschlussvorrichtungen mit einem oder mehrerer Vorsprüngen realisiert werden, indem die Vorsprünge aus dem Material der Stromschiene herausgearbeitet werden, z. B. durch spanabhebende Bearbeitung oder lokale Ätzprozesse.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn diese Bedingung nicht nur im Hinblick auf die Ausdehnung der Stromschiene in Anschlussrichtung erfüllt ist, sondern sogar im Hinblick auf die Ausdehnung des Metallkerns in Anschlussrichtung, so dass die Ausdehnung des Metallkerns in Anschlussrichtung im Bereich der Anschlussvorrichtung allenfalls abschnittsweise gleich der und ansonsten kleiner als die Ausdehnung des Metallkerns in Anschlussrichtung in anderen Abschnitten der Stromschiene ist.
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Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Metallkerne, die Leitungsabschnitte bilden, vorgesehen, die voneinander jeweils durch eine Schicht aus einem Isoliermaterial getrennt sind. Besonders einfach herstellbar ist eine solche Anordnung, wenn das Isoliermaterial ein elektrisch isolierendes, insbesondere ein vergossenes, Harz ist.
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Besonders bevorzugt ist weiter, wenn die am ersten Ende des Leitungsabschnitts angeordnete Anschlussvorrichtung und die am zweiten Ende des Leitungsabschnitts angeordnete Anschlussvorrichtung so aneinander angepasst sind, dass entsprechend ausgestaltete Anschlussvorrichtungen zusammengefügt werden können. Wenn also z.B. die am ersten Ende des Leitungsabschnitts angeordnete Anschlussvorrichtung ein Muster aus zylinderförmige Zapfen aufweist, weist bei Erfüllung dieses Merkmals die am zweiten Ende des Leitungsabschnitts angeordnete Anschlussvorrichtung ein komplementäres Lochmuster von Ausnehmungen auf, das das Zusammenfügen einer analog aufgebauten Anschlussvorrichtung mit der ersten Anschlussvorrichtung, insbesondere unter Ausbildung eines Reibschlusses oder einer Klemmwirkung, erlaubt. Bei dieser Ausgestaltung können identisch aufgebaute Stromschienen besonders einfach zusammengefügt werden.
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Es ist aber beispielsweise auch möglich, zwei Arten von Stromschienen vorzusehen, bei denen die eine Art an beiden Enden Anschlussvorrichtungen mit Ausnehmungen und die andere Art an beiden Enden Anschlussvorrichtungen mit Vorsprüngen aufweist und zum Zusammenfügen der Stromschienen miteinander dann immer abwechselnd Schienen der einen Art und der anderen Art zu verwenden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn an oder auf der Stromschiene Elektronikbauteile angeordnet sind. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn mehrere Leitungsabschnitte bildende Metallkerne vorhanden sind, zwischen denen die Elektronikbauteile geschaltet werden können, um so beispielsweise mit einer Betriebsspannung und/oder einem Betriebsstrom versorgt zu werden. Diese Maßnahme ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Elektronikbauteile eine erhebliche Menge von Abwärme entwickeln, da dann über die mit Metallkernen ausgestattete Stromschiene eine bessere Wärmeabfuhr möglich ist als beispielsweise bei der üblichen Anordnung solcher Bauteile auf einer Leiterplatte. Zudem kann bei einigen Anwendungen durch diese Maßnahme die Bestückungsdichte auf der Leiterplatte durch Ausnutzen des auf der Stromschiene ohnehin vorhandenen Raumes verringert werden, was dem Bedarf nach fortschreitender Miniaturisierung Rechnung trägt.
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Insbesondere kann bei Anordnung von Elektronikbauteilen auf der Stromschiene oder zur Vorbereitung einer solchen Anordnung von Elektronikbauteilen das Schaltungslayout für diese Anordnung ebenfalls auf der elektrisch isolierenden Schicht – wobei in dieser an Stellen, an denen das Layout dies erfordert, eine Durchkontaktierung vorgesehen ist – angelegt sein.
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Das erfindungsgemäße System aus mindestens zwei Stromschienen für eine Beleuchtungsvorrichtung und/oder andere elektrische Komponenten oder einer anderen elektronischen Schaltungen zeichnet sich zunächst einmal dadurch aus, dass die Stromschienen, die es bilden, erfindungsgemäße Stromschienen sind. Weitergebildet wird es durch das Merkmal, dass an der ersten Stromschiene mindestens eine Anschlussvorrichtung mit mindestens einem Vorsprung vorhanden ist, dass an der zweiten Stromschiene mindestens eine Anschlussvorrichtung mit mindestens einer Ausnehmung vorhanden ist und dass der mindestens eine Vorsprung so an die mindestens eine Ausnehmung angepasst ist und so in die mindestens eine Ausnehmung eingreift, dass eine die zweite Stromschiene mit der ersten Stromschiene zusammenfügende mechanische Wechselwirkung entsteht. Diese ist insbesondere gegeben, wenn ein Reibschluss, ein Verklemmen oder ein Verspannen realisiert ist. Zusätzlich kann der Zusammenschluss natürlich durch Verlöten oder Vercrimpen gesichert werden, wenn eine gegebene Anwendung dies erfordert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Stromschiene für eine Beleuchtungsvorrichtung und/oder andere elektrische Komponenten oder einer anderen elektronischen Schaltung weist die folgenden Schritte auf:
- – Bereitstellen einer Metallplatte.
- – Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht auf Oberflächen der Metallplatte. Dieser Schritt kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass eine Beschichtung mit einem Photolack erfolgt.
- – Herausarbeiten der Anschlussvorrichtungen aus Abschnitten der Metallplatte, an denen die Endabschnitte der herzustellenden Stromschienen liegen, durch Entfernen von Material. Die Materialentfernung kann z.B. durch eine spanabhebende Bearbeitung oder Ätzvorgänge realisiert werden.
- – Herausfräsen der Stromschienen aus der Metallplatte.
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Dabei ist zu beachten, dass diese Schritte nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen, auch wenn diese zweckmäßig ist.
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Besonders bevorzugt wird ein Verfahren, das zusätzlich den Schritt des Einbringens von Schlitzen zur Aufnahme einer elektrischen Isolation zwischen Metallkernen der herzustellenden Stromschiene aufweist. Dieser Schritt kann vor oder nach dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Schicht und vor oder nach dem Herausarbeiten der Anschlussvorrichtungen erfolgen, es ist aber zweckmäßig, ihn vor dem vollständigen Herausfräsen der Stromschienen aus der Metallplatte durchzuführen, da dann die Metallkerne, die voneinander isoliert werden sollen, noch zumindest von Abschnitten der Metallplatte in Position gehalten werden und nicht separat in ein Lager aufgenommen werden müssen.
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Eine Weiterbildung dieses Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren zusätzlich den Schritt des Eingießens eines elektrisch isolierenden Harzes in die eingebrachten Schlitze und den Schritt des Glattschleifens des ausgehärteten Harzes aufweist. Es hat sich als vorteilhaft, jedoch nicht als notwendig erwiesen, diese Schritte unmittelbar nacheinander durchzuführen.
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Zu Stromschienen mit besonders gut kontaktierbaren Anschlussvorrichtungen führt es, wenn das Verfahren zusätzlich den Schritt des Beschichtens der Anschlussvorrichtungen mit einer elektrisch leitenden Beschichtung aufweist. Insbesondere eine Beschichtung mit Gold ist vorteilhaft.
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Insbesondere dann, wenn eine Bestückung mit elektronischen Bauteilen vorgesehen ist, ist es zweckmäßig, nach dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Schicht auf einer oder beiden Plattenoberflächen der Metallplatte eine weitere Metallschicht, insbesondere eine Kupferschicht aufzubauen. Aus dieser kann dann das gewünschte Schaltungslayout herausgearbeitet werden. Alternativ kann auch nur das Schaltungslayout aufgebaut werden, z.B. unter Verwendung von Maskentechniken.
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Durchkontaktierungen zwischen der Metallplatte und der weiteren Metallschicht können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die weitere Metallschicht und das darunter liegende Dielektrikum an bestimmten, vorgesehenen Stellen bis zur Metallplatte durchbohrt werden, beispielsweise mit einem Laser, und anschließend miteinander an den Bohrungen, beispielsweise in einem Vakuumlötofen, verlötet werden. Alternativ wäre auch denkbar, dass die leitenden Verbindungsbrücken dadurch geschaffen werden, dass nach dem Bohrvorgang das Trägermaterial mit einem Katalysator belegt wird, anschließend katalytisch metallisiert und danach gegebenenfalls elektrolytisch verstärkt wird. Dem Fachmann sind auch weitere, anwendbare Durchkontaktierverfahren bekannt, beispielsweise mit leitenden Pasten.
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Die erfindungsgemäße Stromschiene ein erfindungsgemäßes System von Stromschienen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Stromschiene werden nachfolgend anhand von Figuren, die konkrete Ausführungsbeispiele zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiels einer Stromschiene,
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2 eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels aus 1, geschnitten längs der Linie A-A,
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3 eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels aus 1, geschnitten längs der Linie B-B,
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4 die Darstellung aus 3 mit einem daran angeordneten Elektronikbauteil in Form einer LED,
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5 eine Aufsicht auf ein aus zwei Stromschienen gemäß 1 gebildetes System von Stromschienen,
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6 eine Schnittdarstellung des Systems von Stromschienen aus 5 längs der Linie C-C,
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7 das System von Stromschienen aus 5 mit einer zusätzlichen Verbindungsbrücke zwischen Leiterbahnen,
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8 die Schnittdarstellung aus 5 mit einem auf den Leiterbahnen montiertem Bauteil, beispielsweise einer LED,
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9 das Ergebnis des ersten Schritts eines Herstellungsverfahrens für eine Stromschiene,
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10 das Ergebnis des zweiten Schritts eines Herstellungsverfahrens für eine Stromschiene,
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11 das Ergebnis des dritten Schritts eines Herstellungsverfahrens für eine Stromschiene,
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12 das Ergebnis des vierten Schritts eines Herstellungsverfahrens für eine Stromschiene,
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13a–c drei Ansichten des Ergebnisses des fünften Schritts eines Herstellungsverfahrens für eine Stromschiene,
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14 eine Ansicht des Ergebnisses des sechsten Schritts eines Herstellungsverfahrens für eine Stromschiene,
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15a, b zwei Ansichten des Ergebnisses des siebten Schritts eines Herstellungsverfahrens für eine Stromschiene, und
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16 eine Aufsicht auf ein mögliches Endprodukt.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 bis 3 zeigen eine Aufsicht auf und zwei Schnitte durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Stromschiene 100. Wie man in der Querschnittsdarstellung der 3 besonders gut erkennt, weist die Stromschiene 100 zwei Metallkerne 101, 102 auf, die bevorzugt als Kupferkerne ausgebildet sind. Die Metallkerne 101, 102 sind durch eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material 103 mechanisch miteinander verbunden, aber elektrisch voneinander getrennt. Ferner erkennt man elektrisch isolierende Schichten 104, 105, die die Ober- und Unterseite des Verbunds aus Metallkernen 101, 102 und elektrisch isolierendem Material 103 bedecken. Die direkte Verbindungsrichtung zwischen den elektrisch isolierenden Schichten 104, 105 definiert die Richtung, in der die Dicke der Stromschiene 100 und die Dicke D der Metallkerne 101, 102 zu messen ist.
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Auf die elektrisch isolierende Schicht 104 ist eine durchgehende Metallschicht 106 aufgebracht. Auf der elektrisch isolierenden Schicht 105 sind elektrisch leitende Leiterbahnen 107, 108 eines Schaltungslayouts angeordnet. Die Leiterbahnen 107, 108 können auch anders, insbesondere komplexer, als in den Figuren dargestellt verlaufen und sich verzweigen, in Verlaufsrichtung der Metallkerne nur Teilabschnitte der Stromschiene bedecken, Kontaktflächen aufweisen und/oder lokal durch die elektrisch isolierende Schicht 105 und/oder isoliert die Metallkerne 101, 102 hindurch geführte elektrische Kontakte zu den Metallkernen 101, 102 aufweisen.
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Wie man besonders gut in der Darstellung gemäß 2 erkennt, bilden die Metallkerne 101, 102 jeweils einen Leitungsabschnitt der Stromschiene, der die elektrische Verbindung des ersten Endes 110 der Stromschiene 100 mit dem zweiten Ende 111 der Stromschiene 100 bildet. Am ersten Ende 110 der Stromschiene 100 und am zweiten Ende 111 der Stromschiene ist jeweils eine Anschlussvorrichtung 120, 130 vorgesehen. Die Verbindung zwischen den Anschlussvorrichtungen 120, 130 gibt jeweils lokal die Verlaufsrichtung der Stromschiene 100 und den Verlauf des Leitungsabschnitts vor.
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Im Bereich der Anschlussvorrichtungen 120, 130 ist sowohl die Dicke D des Metallkerns 101, 102 als auch die Dicke der Stromschiene 100 reduziert. Die Dicke der Stromschiene 100 ist reduziert, weil dort zumindest einseitig elektrisch isolierende Schichten 104, 105 entfernt sind. Die Dicke der Metallkerne 101, 102 ist zumindest abschnittsweise im Bereich der Anschlussvorrichtungen 120, 130 reduziert, weil der Metallkern 101, 102 im Bereich der Anschlussvorrichtung 120 von unten her bis auf eine Dicke d geschwächt ist und im Bereich der Anschlussvorrichtung 130 der Metallkern abschnittsweise, nämlich dort wo keine Vorsprünge 131 vorgesehen sind, von oben her um die Dicke d geschwächt sind.
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Die Anschlussvorrichtung 120 weist vier Ausnehmungen 121 in Form von vier durchgehenden Löchern auf, die in 1 deutlich zu erkennen und in 2 gestrichelt dargestellt sind, während die Anschlussvorrichtung 130 vier Vorsprünge 131, die in diesem Beispiel als zylinderförmige Stifte ausgeführt sind, aufweist, die die Fläche 132, auf der sie angeordnet sind, mit einer Höhe relativ zur Fläche 132, die der Dicke d des Metallkerns 101, 102 im Bereich der Anschlussvorrichtung 120 entspricht, überragen.
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Bevorzugt sind die Dimensionen der Vorsprünge 131 an die Dimensionen der Ausnehmungen 121 angepasst, so dass die jeweiligen Oberflächen von in die Ausnehmungen 121 eingeführten Vorsprüngen in inniger mechanischer und elektrischer Verbindung und bevorzugt in einem Reibschluss miteinander stehen.
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Wie die Darstellungen gemäß 4 und 5 besonders gut zeigen, erlaubt diese Ausgestaltung der Anschlussvorrichtungen 120, 130 es insbesondere, auf einfache Weise eine Verbindung zwischen der Anschlussvorrichtung 130 am zweiten Ende 111 einer ersten Stromschiene 100 und einer Anschlussvorrichtung 220 am ersten Ende 210 einer zweiten, identisch gestalteten Stromschiene 200 herzustellen, die dann ein System 300 von mindestens zwei Stromschienen 100, 200 darstellen. Die Bestandteile der Bauteile der zweiten Stromschiene 200 entsprechen denen der ersten Stromschiene 100; ihre Bezugszeichen ergeben sich durch Addition von Hundert zu den Bezugszeichen der Bauteile der Stromschiene 100.
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Dies geschieht, indem die Anschlussvorrichtung 130 der ersten Stromschiene 100 von unten, also mit einer Anschlussrichtung, die senkrecht auf der Verlaufsrichtung der jeweils durch die Metallkerne 101, 102 gebildeten Leitungsabschnitte steht, mit den Vorsprüngen 131 in die Ausnehmungen 221 der Anschlussvorrichtung 220 der zweiten Stromschiene 200 eingeführt wird. Eine Befestigung der Stromschienen 100, 200 aneinander kann durch einen Reibschluss oder ein Verrasten zwischen den Wandflächen der Vorsprünge 131 und der Ausnehmungen 221 miteinander erreicht werden, alternativ oder kumulativ ist auch ein Vercrimpen oder Verlöten möglich, falls eine Anwendung dies erfordert.
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Das so gebildete System 300 von Stromschienen 100, 200 hat zunächst, wie aus 4 und 5 hervorgeht, Leiterbahnen 107, 108, 207, 208, die elektrisch voneinander getrennt sind. Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, kann durch Vorsehen von elektrisch leitenden Brücken 109 aber einfach eine elektrische Verbindung der Leiterbahnen 107, 207 bzw. 108, 208 miteinander bewirkt werden.
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Ein besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Stromschiene 100 liegt darin, dass, wie in 8 dargestellt ist, ein Elektronikbauelement, z.B. eine LED 150 inklusive Steuerelektronik, direkt an der Stromschiene angeordnet werden kann. Die Metallkerne 101, 102 bilden dann Leitungsabschnitte, über die die Versorgungsspannung zugeführt werden kann. Je nach Anwendung kann auch eine Stromschiene mit weiteren Metallkernen, z.B. zur Verwendung als Leitungsabschnitt für ein definiertes Erdpotential, zur Versorgung mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen und/oder zum Transport von Steuer- oder Datensignalen sinnvoll sein, die auf gleiche Weise aufbaubar ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für derartige Stromschienen anhand der 9 bis 16 beschrieben. Zunächst wird eine Metallplatte 1, insbesondere eine Kupferplatte, bereitgestellt, was zu dem in 9 dargestellten Zwischenprodukt führt.
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Als nächstes werden in die Metallplatte 1 Schlitze 2 eingefügt, wodurch die Metallplatte 1 zu Metallkernen 3 wird, die später die Leitungsabschnitte der Stromschiene bilden, die den elektrischen Kontakt zwischen den Enden der Stromschiene gewährleisten und den gewünschten Stromtransport ermöglichen. Ein mögliches Ergebnis dieses Verfahrensschritts zeigt 10.
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Es kann abweichend von dem Beispiel, das in 10 gezeigt ist, zweckmäßig sein, die Metallkerne 3 noch nicht vollständig aus der Metallplatte 1 herauszutrennen, sondern zunächst noch mit Verbindungen in einem Metallrahmen in Position zu halten.
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Als nächstes werden die Schlitze mit einem Isoliermaterial, insbesondere einem elektrisch nicht leitenden Harz 4 ausgefüllt, das dann ausgehärtet wird. Das ausgehärtete Harz 4 verbindet die Metallkerne 3 mechanisch miteinander, so dass ein etwaig noch vorhandener Halterahmen nach dem Aushärten des Harzes abgetrennt werden kann. Man erhält die in 11 dargestellte Anordnung aus Metallkernen 3 und Harz 4.
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Im nächsten Schritt wird dann zumindest auf die Oberseite der Stromschiene, d.h. auf die Seite, an der die Beleuchtungsvorrichtung und/oder andere elektrische Komponenten angeordnet werden sollen, bevorzugt aber auf Ober- und Unterseite der Stromschiene ein Dielektrikum als elektrisch isolierende Schicht 5, 6 aufgebracht. Das entsprechende Zwischenprodukt ist in 12 abgebildet.
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Damit ist der Grundaufbau der Stromschiene erzeugt. Bevorzugt ist jedoch eine Integration der Elektronik auf der Stromschiene, weshalb in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt eine weitere Metallschicht 7, bevorzugt eine Kupferschicht zumindest auf die Oberseite der Stromschiene, d.h. auf die Seite, an der die Beleuchtungsvorrichtung angeordnet werden soll, bevorzugt aber jeweils eine weitere Metallschicht 7, 8, insbesondere aus Kupfer, auf Ober- und Unterseite der Stromschiene aufgebaut wird. 13a zeigt den dadurch erzeugten Aufbau, 13b einen Querschnitt längs der Linie D-D in 13a und 13c einen Querschnitt längs der Linie E-E in 13a.
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Im nächsten Bearbeitungsschritt werden die Anschlussvorrichtungen 9, 10 aus den Endabschnitten 3a, 3b der Metallkerne 3 herausgearbeitet, insbesondere herausgefräst.
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Zur Schaffung der Anschlussvorrichtung 9 am ersten Endabschnitt 3a der Metallkerne 3 werden dabei auf der Ober- und der Unterseite der Stromschiene jeweils die weitere Metallschicht 7, 8 und die elektrische Isolationsschicht 5, 6 abgefräst. Anschließend werden aus Richtung der Unterseite die Metallkerne 3 und die zwischen diesen angeordneten Schichten aus Harz 4 bis auf eine Dicke d geschwächt, was insbesondere ebenfalls in einem Fräsprozess durchgeführt werden kann, und Ausnehmungen 11 in Gestalt von die verbleibenden Bereiche Metallkerne 3 ihrer Dicke nach, also in Richtung einer direkten Verbindung zwischen Unter- und Oberseite der Stromschiene und senkrecht zu ihrer Verlaufsrichtung, die durch die Verbindung der Anschlussvorrichtungen 9, 10 vorgegeben ist, durchsetzenden, in diesem Beispiel zylindrischen Löchern 11 eingebracht, z.B. gebohrt. Dabei ist das Vorsehen von durchsetzenden Löchern und das Entfernen der oberen weiteren Metallschicht 7 sowie der oberen elektrischen Isolationsschicht 5 nicht obligatorisch, diese Maßnahmen erleichtern es jedoch bei der Montage, mehrere Stromschienen zusammenzufügen, weil eine visuelle Ausrichtung einfacher wird.
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Zur Schaffung der Anschlussvorrichtung 10 am zweiten Endabschnitt 3b der Metallkerne 3 werden die obere weitere Metallschicht 7 und die obere elektrische Isolationsschicht 5 entfernt und dann der Metallkern 3 so geschwächt, dass Vorsprünge 12 in Form von Zapfen, die an die Geometrie der zylindrischen Löcher 11 im Hinblick auf die Anordnung der Vorsprünge 12 auf der Grundfläche 13 und die Dimensionierung der Vorsprünge 12 angepasst sind, stehenbleiben, die die Grundfläche 13, auf der sie angeordnet sind, um die Höhe d überragen. Auch dies kann mit einem Fräsprozess geschehen.
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Die Orientierung der Löcher 11 bzw. der Vorsprünge 12 gibt die Anschlussrichtung der Anschlussvorrichtungen 9, 10 vor. Durch die Ausgestaltung der Anschlussvorrichtungen 9, 10 der Metallkerne 3 ist die Ausdehnung des Metallkerns 3 im Bereich der Anschlussvorrichtung 10 nur an den Stellen, an denen die Zapfen 12 angeordnet sind, gleich der Ausdehnung D des Metallkerns 3 außerhalb der Anschlussvorrichtungen 9, 10 und an allen anderen Stellen der Anschlussvorrichtung 10 und im gesamten Bereich der Anschlussvorrichtung 9 kleiner als die Ausdehnung D des Metallkerns 3 außerhalb der Anschlussvorrichtungen 9, 10, nämlich D-d an den anderen Stellen der Anschlussvorrichtung 10 und Null im Bereich der Löcher 11 der Anschlussvorrichtung 9 und d an allen anderen Stellen der Anschlussvorrichtung 9.
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Das Zwischenprodukt, das durch diese Schritte erhalten wird, ist in 14 dargestellt.
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Das nun vorliegende Zwischenprodukt kann durch den Aufbau von Leiterbahnen 14 und/oder Kontaktflächen 15 auf einer der oder beiden weiteren Metallschichten 7, 8 durch selektive Entfernung von Teilen der Metallschichten und bedarfsweise Durchkontaktierung zum oder durch den Metallkern 3 hindurch weitergebildet werden, was zu der in 15a und b gezeigten Anordnung führt. Wenn es um die reine Funktionalität als Stromschiene geht, ist dieser Schritt allerdings nicht notwendig.
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Schließlich muss noch eine Vereinzelung der einzelnen Stromschienen durch Heraustrennen von Gruppen von Metallkernen 3, die der gewünschten Adernzahl der Stromschiene entsprechen, mit in 15a strichliert dargestellten Schnittlinien, die parallel zur Verlaufsrichtung der Metallkerne ausgerichtet verlaufen, vorgenommen werden, um die in 16 dargestellte fertige Stromschiene zu erhalten. Optional kann diese mit elektrischen Bauteilen, insbesondere LEDs und deren Steuerelektronik, bestückt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metallplatte
- 2
- Schlitz
- 3
- Metallkern
- 4
- elektrisch nicht leitendes Harz
- 5, 6
- elektrisch isolierende Schicht
- 7, 8
- weitere Metallschicht
- 9, 10
- Anschlussvorrichtung
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Vorsprung
- 13
- Grundfläche
- 14
- Leiterbahn
- 15
- Kontaktfläche
- 100, 200
- Stromschiene
- 101, 102, 201, 202
- Metallkern
- 103, 203
- elektrisch isolierendes Material
- 104, 105, 204, 205
- elektrisch isolierende Schicht
- 107, 108, 207, 208
- Leiterbahn
- 110, 210
- erstes Ende
- 111, 211
- zweites Ende
- 120, 130, 220, 230
- Anschlussvorrichtung
- 121, 221
- Ausnehmung
- 131, 231
- Vorsprung
- 132, 232
- Fläche
- 150
- LED
- 300
- System
- D
- Dicke
- d
- Dicke des Metallkerns im Bereich einer Anschlussvorrichtung
