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Die Erfindung betrifft eine lötfreie elektrische Verbindung zwischen einem ersten Fügepartner und einem zweiten Fügepartner zum Anschluss eines elektrischen bzw. elektronischen Bauelements oder dem Steckeranschluss eines Messgeräts, wobei es sich bei dem Messgerät bevorzugt um ein Messgerät für die Prozessmesstechnik handelt.
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Eine elektrische Verbindung zwischen zwei elektrischen oder elektronischen Bauteilen kann grundsätzlich über elektrische Leitungen erfolgen, deren abisolierte Enden jeweils mit entsprechenden Anschlussflächen der elektrischen oder elektronischen Bauteile verlötet werden. Bei den elektrischen und elektronischen Bauteilen kann es sich dabei insbesondere um Leiterplatten handeln, welche ihrerseits Teil einer größeren Baugruppe, beispielsweise einer Bedieneinheit, einer Anzeige oder einer Sensoreinheit eines elektronischen Messgeräts oder eines anderen elektronischen Geräts sein können.
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Insbesondere dann, wenn die miteinander zu verbindenden Bauteile nur eine geringe Größe aufweisen oder der bei der Montage zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist, ist die Herstellung von Lötverbindungen nicht nur zeitaufwendig und damit relativ teuer, sondern auch fehleranfällig, da sie in der Regel von Hand durchgeführt werden muss. Aus diesem Grund werden in der Praxis häufig elektrische Leitungen als Verbindungselemente verwendet, an deren Enden entsprechend ausgebildete Steckverbinder angeordnet sind. Die Steckverbinder müssen dann nur noch mit korrespondierenden Gegensteckverbindern, die an den elektrischen und elektronischen Bauelementen angeordnet sind, zusammengesteckt werden, so dass auf die Herstellung von Lötverbindungen zur Verbindung der Bauelemente verzichtet werden kann. Nachteilig ist dabei jedoch, dass durch die Verwendung der Steckverbinder und der benötigten Gegensteckverbinder die elektrische Verbindung relativ teuer wird, was sich insbesondere dann besonders negativ bemerkbar macht, wenn mehrere elektrische Verbindungen in einem Gerät, beispielsweise einem Messgerät realisiert werden müssen.
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Aus der
DE 10 2009 047 043 A1 ist eine lötfreie elektrische Verbindung bekannt, bei der ein Anschlussstift in ein mit Kupfer beschichtetes Loch auf einer Leiterplatte eingepresst wird. Nachteilig hierbei ist jedoch, der durch die Beschichtung des Loches in der Leiterplatte vergleichsweise aufwendige Aufbau. Des Weiteren ist der Einsatz dieser Verbindungstechnik bei flexiblen Leiterplatten bzw. Leiterfilmen nicht, zumindest aber nicht ohne weiteres möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte lötfreie elektrische Verbindungstechnik, insbesondere für ein Messgerät der Prozessmesstechnik, vorzuschlagen, die fertigungstechnisch einfach herzustellen ist und nicht nur bei starren, sondern auch bei flexiblen Leiterplatten bzw. Leiterfilmen einsetzbar ist.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Kern der Erfindung ist es, eine mittels SMD-Technik auf der Leiterplatte aufgelötete Kontaktscheibe vorzusehen. Das Auflöten von elektronischen Bauelementen mittels SMD-Technik ist hinlänglich bekannt. Der Vorteil diese Art der Verlötung ist u.a. der hohe Automatisierungsgrad bei gleichzeitig hoher Stückzahl. Dieser Vorteil wird nun genutzt, um die Leiterplatte neben den elektronischen Bauelementen auch mit einer Kontaktscheibe zu bestücken. Sowohl die Kontaktscheibe als auch die Leiterplatte weisen jeweils eine Durchgangsbohrung auf, wobei die Durchgangsbohrung der Leiterplatte an der Stelle angeordnet ist, an der die Kontaktscheibe auf der Oberfläche der Leiterplatte platziert ist, so dass beide Durchgangsbohrungen eine gemeinsame Längsachse aufweisen. Durch diese Durchgangsbohrungen hindurch erstreckt sich der erste Fügepartner, welcher als Anschlussstift ausgebildet ist.
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Der Durchmesser der Durchgangsbohrung der Kontaktscheibe ist dabei so bemessen, dass es zwischen den beiden Fügepartnern, also dem Anschlussstift und der Kontaktscheibe, zu einer kraftschlüssigen Verbindung kommt. Der Außendurchmesser des Anschlussstiftes und der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung sind demnach nahezu gleich, so dass sich zwischen beiden Teilen eine Übergangs- bzw. leichte Presspassung ergibt.
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Wie zuvor beschrieben, müssen die Fügepartner hinsichtlich ihrer Dimensionierung aufeinander abgestimmt sein, damit es zu einer dauerhaften, kraftschlüssigen Verbindung kommt. Hierbei ist insbesondere der Durchmesser des Anschlussstiftes und der Innendurchmesser der Kontaktscheibe, d.h. deren Durchgangsbohrung relevant.
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Dabei sind jedoch nur kleine Toleranzen möglich. Für den Fall, dass der Durchmesser des Anschlussstiftes und/oder der Durchmesser der Durchgangsbohrung der Kontaktschiebe variiert, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Durchgangsbohrung der Kontaktscheibe nach innen gerichtete Federkontakte aufweist. Diese Federkontakte werden durch radial von innen gerichtete Schlitze erzeugt. Beim Einfügen des Anschlusspins in die Durchgangsbohrung der Kontaktscheibe schmiegen sich die Federkontakte an die Oberfläche des Anschlussstiftes an und erzeugen so den elektrischen Kontakt zwischen den Fügepartnern. Durch die Tiefe der Schlitze und die Stärke der Kontaktscheibe lässt sich die Elastizität der Federkontakte beeinflussen.
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Eine alternative Weiterbildung zu den Federkontakten sieht vor, dass die Durchgangsbohrung der Kontaktscheibe nach innen gerichtete Zacken aufweist. Im Gegensatz zu den Federkontakten zeichnen sich die Zacken durch eine dreieckförmige Gestaltung aus, so dass an der Oberfläche des Anschlussstiftes nur ein quasi punktförmiger Kontakt zwischen der Kontaktscheibe und dem Anschlussstift vorliegt. Dadurch wird der Anschlussstift mit großen Kräften in der Kontaktscheibe gehalten und ermöglicht damit auch die Verwendung von Gießharz. Häufig werden die Gehäuse der Messgeräte mit einem Gießharz befüllt, um die sich darin befindlichen Teile untereinander zu fixieren, die mechanischen Stabilität zu erhöhen und/oder eine Vibrations- und Schockfestigkeit zu erreichen. Bei der Verwendung von Gießharz können über Temperaturwechsel aufgrund unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten Kräfte wirken, denen durch ein „Einkrallen“ der Zacken in den Anschlussstift entgegengewirkt wird.
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Selbstredend ist die Kontaktscheibe natürlich mit einer Leiterbahn auf der Leiterplatte elektrisch verbunden, um über den Anschlussstift eine elektrische Verbindung herzustellen.
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Die Anschlussstifte stehen nach dem Einführen bzw. Einpressen in die Durchgangsbohrung der Kontaktscheibe senkrecht von der Leiterplatte ab und können nun bspw. durch eine Anschlussklemmvorrichtung kontaktiert werden, um das Messsignal abgreifen zu können. Bevorzugt sind die Anschlussstifte jedoch gleich die Anschlusspins eines Steckeranschlusses, über den das Messgerät mit einer Stromversorgung und/oder mit einer Datenverarbeitungseinheit bzw. Steuereinheit verbunden ist, die die Messsignale empfängt und auswertet. Üblicherweise ist der Steckeranschluss nach EN 61076 in der Größe M12 ausgeführt. Bei dieser Ausführung der Erfindung kann auf eine Anschlussklemmvorrichtung oder dergleichen verzichtet werden und stattdessen die ohnehin vorhandenen Pins des Steckeranschlusses als Anschlussstifte verwendet werden.
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Der genannte Steckverbinder nach EN 61076 stellt einen Standard in der Prozessmesstechnik dar. Die verwendeten Steckverbinder weisen – je nach Anwendung – zumeist vier Steckerpins auf: jeweils zwei für die Energieversorgung und zwei für die Signalübertragung von oder zu der externen Steuereinheit (SPS).
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Beim Zusammenbau des Messgeräts ergibt sich nun der Vorteil, dass das Messgerät ohne Löten und damit einfach sowie ohne größeren Aufwand zusammengebaut werden kann. Gleichzeitig sichert die kraft- und ggf. formschlüssige Verbindung zwischen den Fügepartnern – den Kontaktscheiben einerseits und den Anschlussstiften bzw. Steckerpins andererseits – eine dauerhafte elektrische Kontaktierung.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Teil eines Messgeräts der Prozessmesstechnik gemäß der Erfindung,
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2 eine flexible Leiterplatte mit der erfindungsgemäßen lötfreien elektrischen Verbindung,
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3 eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Kontaktscheibe zur Erzeugung der erfindungsgemäßen lötfreien elektrischen Verbindung,
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4 eine Darstellung von möglichen Ausgestaltungen einer Kontaktscheibe,
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5 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Kontaktscheibe,
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6 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Kontaktscheibe und
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7 einen Verbund von mehreren Kontaktscheiben.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt einen Teil eines Messgeräts 1 der Prozessmesstechnik gemäß der Erfindung, wobei es sich bei dem Messgerät 1 um ein Druck-, Temperatur, Strömungs- oder Füllstandmessgerät handeln kann. Aus diesem Grund wurde das Sensorelement 2 nur schematisch als Kästchen gezeichnet, das abhängig von dem jeweiligen Messgerät bspw. als Druckmesszelle, als temperaturabhängige(s) Widerstandselement(e) bzw. Heizelement, als kapazitiv wirkende Elektrode(n), als Sende-/Empfangseinheit für Mikrowellen usw. zu interpretieren ist. Für die Darstellung der Erfindung ist ohnehin nur der obere Teil des Messgeräts 1 relevant.
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Der obere Teil des Messgeräts 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 6, einer darauf aufgesetzten Anzeige- und Bedieneinheit 7 und einem vom Gehäuse 6 abstehenden Steckeranschluss 4. Selbstverständlich kann auf die Anzeige- und Bedieneinheit 7 auch verzichtet werden und das Messgerät 1 als sogenannter Transmitter ausgeführt sein. In diesem Fall erfolgt die Einstellung bzw. Parametrierung des Messgeräts 1 sowie die Anzeige und Verarbeitung der Messsignale über die am Steckeranschluss 4 angeschlossene Steuereinheit (SPS). Der Steckeranschluss 4 ist wie in der Prozessmesstechnik üblich nach EN 61076 in der Größe M12 ausgeführt, wobei selbstredend auch andere Steckeranschlüsse in anderen Größen anwendbar sind, wenn sie einen oder mehrere Steckerpins aufweisen.
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Innerhalb des Gehäuses 6 befindet sich eine Leiterplatte 10, auf der alle für die Signalverarbeitung und Energieversorgung notwendigen elektronischen Bauteile 3 angeordnet sind. Die Leiterplatte 10 ist vorzugsweise als flexible Leiterplatte bzw. Leiterfilm ausgeführt und besteht typischerweise aus Polyimid. Auch die Anordnung des Leiterfilms 10 ist in 1 nur schematisch gezeigt. In der Praxis wird durch eine spezielle Faltung des Leiterfilms 10 der Innenraum des Gehäuses 6 bestmöglich ausgenutzt und selbstverständlich ist auch die Anzeige- und Bedieneinheit 7 mit dem Leiterfilm 10 elektrisch verbunden. Der Fokus der Erfindung liegt jedoch auf der Kontaktierung der Pins 20 des Steckeranschlusses 4 mit dem Leiterfilm 10, weswegen das Messgerät 1 sehr vereinfacht dargestellt wird.
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Wie aus 1 zu entnehmen ist, erstrecken sich die Pins 20 des Steckeranschlusses 4 bis in den Innenraum des Gehäuses 6 und stoßen dort senkrecht auf den Leiterfilm 10, wodurch ein elektrischer Kontakt zwischen den Pins 20 und dem Leiterfilm 10 hergestellt wird. Eine auf den Steckeranschluss 4 aufgeschraubte Kabeldose ist somit über die Pins 20 unmittelbar, also ohne Verwendung von Zwischenstücken, Verlängerungen, Kabelschuhe oder dergleichen mit dem Leiterfilm 10 elektrisch verbunden.
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In 2 ist die Kontaktierung der Steckerpins 20 mit dem Leiterfilm 10 näher dargestellt. Der Leiterfilm 10 weist entsprechend der Anzahl der Steckerpins 20 Durchgangsbohrungen 11 auf. Auf diesen Durchgangsbohrungen 11 ist jeweils eine Kontaktscheibe 30 mit ebenfalls einer Durchgangsbohrung 31 angeordnet, derart, dass beide Durchgangsbohrungen 11, 31 eine gemeinsame Längsachse haben. Die Kontaktscheibe ist typischerweise ein Stanz- oder Biegeteil und wird mittels SMD-Technik auf dem Leiterfilm 10 aufgelötet. Durch die Durchgangsbohrung 11 des Leiterfilms 10 und die Durchgangsbohrung 31 der Kontaktscheibe 30 hindurch erstreckt sich der Anschlussstift 20, der wie zuvor beschrieben bevorzugt als Pin eines Steckeranschlusses 4 ausgebildet ist. Unabhängig davon ist es natürlich auch möglich, die Anschlussstifte 20 mit einer Anschlussklemmvorrichtung oder dergleichen zu kontaktieren.
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Der Vorteil besteht nun darin, dass, nachdem die Kontaktscheibe automatisiert auf den Leiterfilm 10 aufgelötet wurde, bei der Montage des Messgeräts 1 die Steckerpins bzw. Anschlussstifte 20 nur noch in die Durchgangsbohrung 31 der Kontaktscheibe eingeführt und durchgesteckt bzw. eingepresst werden müssen. Da die Dimensionierung der Durchgangsbohrung 31 und des Anschlussstiftes aufeinander abgestimmt sind, wird der Anschlussstift dort kraftschlüssig gehalten. Ein sonst üblicher und aufwendiger Lötvorgang ist nicht mehr notwendig.
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Vorteilhafterweise weist die Durchgangsbohrung 31 der Kontaktscheibe 30, wie in 3 dargestellt, nach innen gerichtete Zacken auf 32, wodurch es neben dem Kraftschluss auch zu einem Formschluss kommt, da sich die Zacken 32 förmlich in den Anschlussstift hineinkrallen können.
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Als Material für die Kontaktscheibe 30 bietet sich besonders Metall an, insbesondere Edelstahl (1.4310 oder 1.4301). Für einen Anschlussstift 20 mit einer Stärke von 1 mm ist die Kontaktscheibe 30 beispielhaft wie folgt dimensioniert: die Dicke der Kontaktscheibe 30 liegt bei 0,3 mm, der Durchmesser der Durchgangsbohrung 31 bei ca. 0,95 mm und die Ausbuchtungen zwischen den Zacken 32 haben einen maximalen Abstand zur Mitte der Durchgangsbohrung 31 von etwa 1 mm. Bei Anschlussstiften mit größerem Durchmesser ist die Dimensionierung entsprechend anzupassen.
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In 4 sind verschiedene Ausgestaltungen der Kontaktscheibe 30 dargestellt, im oberen Teil in der Draufsicht und darunter aufgeschoben auf einen Anschlussstift 20. Je nach Anwendung, verwendetem Material, angenommene Beanspruchung etc. können unterschiedliche Ausführungen vorteilhaft sein. Grundsätzlich unterscheiden sich die Ausführungsformen hinsichtlich der Größe der Berührungsfläche zwischen Kontaktscheibe 30 und Anschlussstift 20. Die beiden äußeren Ausführungen stellen dabei jeweils Extreme dar: während die linke Kontaktscheibe 30, die bereits aus 2 und 3 bekannt ist, relativ spitze und scharfkantige Zacken aufweist, die sich zum Teil tief in die Oberfläche des Anschlussstiftes einschneiden, weist die rechte Ausführungsform eine sehr breite Berührungsfläche auf, wobei der innere Teil der Kontaktscheibe 30 lamellenartig als zwei gegenüberliegende Federkontakte ausgestaltet ist, die sich an die Außenwand des Anschlussstiftes 20 anschmiegen. Alle diese Ausführungen haben die Eigenschaft, dass sich die Kontaktscheibe 30 mehr oder weniger in die Oberfläche des Anschlussstiftes 20 einschneidet.
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Im Gegensatz dazu sind in den 5 und 6 Ausführungen einer Kontaktscheibe 30 gezeigt, die nur an die Oberfläche eines Anschlussstiftes anliegen und sich nicht einschneiden. Die Variante in 5 ermöglicht den Kontakt mit dem Anschlussstift über eine etwas dünnere Materialausführung im Bereich der Durchgangsbohrung 31 und die sich daraus ergebende Federeigenschaft. In 6 hat die eigentliche Kontaktscheibe eine hülsenartige Verlängerung, die dann entweder allein durch die sich ergebende Haftreibung oder wahlweise durch ein Vercrimpen den dauerhaften Kontakt mit dem Anschlussstift realisiert. Auch wenn diese Ausführung von einer herkömmlichen Scheibe abweicht, wird diese Variante dennoch im Sinne der Erfindung als Kontaktscheibe bezeichnet, da sie eine logische Fortführung der aus den 4 und 5 gezeigten Ausführungen darstellt.
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In 7 ist ein Verbund 30a von mehreren Kontaktscheiben 30 dargestellt. Dies ermöglicht fertigungstechnische Vorteile bei der Bestückung des Leiterfilms, bspw. wenn für einen Steckeranschluss 4 für eine Messgerät – wie in 1 gezeigt – vier Anschlussstifte 20 in definiertem Abstand zueinander positioniert werden müssen. Auch wenn vorliegend beispielhaft vier Kontaktscheiben 30 gemäß der Ausführung in 5 dargestellt sind, so lassen sich natürlich sämtliche hierin offenbarte Ausführungen von Kataktscheiben, auch kombiniert und in den verschiedensten Anzahlen in einem Verbund realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Sensorelement
- 3
- elektronische Bauteile / Auswerteeinheit
- 4
- Steckeranschluss
- 6
- Gehäuse
- 7
- Anzeige- und Bedieneinheit
- 10
- Leiterfilm
- 11
- Durchgangsbohrung
- 20
- Steckerpin, Anschlussstift
- 30
- Kontaktscheibe
- 30a
- Verbund von Kontaktscheiben
- 31
- Durchgangsbohrung
- 32
- Zacken
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009047043 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN 61076 [0013]
- EN 61076 [0014]
- EN 61076 [0027]
