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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, welches ein Leiterplattenpaket mit mehreren übereinander angeordneten Leiterplatten umfasst und insbesondere für Modellflugzeuge oder kommerziell genutzte unbemannte Luftfahrzeuge eingesetzt wird.
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Der Modellflugzeugbau erfährt derzeit enorme Entwicklungsschübe einerseits durch eine Steigerung der Leistungsfähigkeit von Propellermotoren, andererseits durch die Verfügbarkeit von erhöhten Stromspeicherkapazitäten. Hierdurch wird bei Drohnen eine Quadrocopter-Bauweise möglich. Diese mehrmotorigen Quadrocopter sind beispielsweise mit drei bis acht Motoren bestückt. Die elektrische Energie für diese Motoren wird von Lithium-Polymer-Akkumulatoren bereitgestellt. Durch diese Antriebsart ist bei geringer Größe eine hohe Leistungsfähigkeit des Quadrocopters möglich.
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Speziell im Bereich der Quadrocopter sind elektronische Drehzahlregler mit hoher Stromaufnahme in einem Bereich bis zu einigen hundert Ampere im Einsatz. Es wird pro Motor ein Regler verwendet, der die Stromversorgung und damit die Drehzahl den unterschiedlichen Anforderungen, wie beispielsweise zum Steigflug, zur horizontalen Ausrichtung, zur Einleitung von Kursänderungen und anderes, angepasst. Gleichzeitig sollen diese elektronischen Steuereinheiten kompakt, gewichtsparend, robust und montagefreundlich aufgebaut sein.
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Bekannt ist es, elektronische Bauteile aus mehreren Leiterplatten aufzubauen. Werden jedoch mehrere Lagen an Leiterplatten verwendet, müssen diese einerseits im Bauteil oder Modul mechanisch miteinander verbunden sein, andererseits werden für die Stromversorgung Stecker- und Kabelverbindungen verwendet. Dazu sind entsprechende Lötverbindungen zwischen den Steckern und den Leiterplatten notwendig. In nachteiliger Weise stellen solche Verbindungen ein Risikoelement hinsichtlich der Funktionstüchtigkeit der Modellflugzeuge dar, weil durch Vibrationen des Flugzeuges, durch Erschütterung oder durch große Temperaturunterschiede diese Verbindungen einer enormen Belastung ausgesetzt sind. So können insbesondere bei unvorhergesehenen Aufschlägen oder starken Erschütterungen an den Lötstellen Haarrisse auftreten, die eine Funktionssicherheit gefährden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein kompaktes, gewichtsparendes und dabei robustes, montagefreundliches elektronisches Bauteil zur Verfügung zu stellen, dass insbesondere den hohen Anforderungen hinsichtlich Vibration, Erschütterung und Temperaturunterschieden, wie sie bei Modellflugzeugen oder kommerziell genutzten unbemannten Luftfahrzeugen auftreten, gerecht wird.
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Diese Aufgabe wird mit einem elektronischen Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen beschreiben die Unteransprüche.
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Das neue elektronische Bauteil umfasst ein Leiterplattenpaket mit mindestens zwei übereinander angeordneten Leiterplatten, vorzugsweise mit mehr als zwei Leiterplatten, besonders bevorzugt sind Leiterplattenpakete mit vier oder sechs übereinander angeordneten Leiterplatten. In bekannter Weise tragen die Leiterplatten elektronische Bauelemente, die über elektrisch leitende Verbindungen in Form von Leiterbahnen mit der entsprechenden elektrischen Energie versorgt werden. Es sind auch elektrische Verbindungen zwischen den unterschiedlichen Leiterplatten vorgesehen. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um Stecker- oder Kabelverbindungen, die mit den einzelnen Leiterplatten verlötet sind. Bei dem neuen elektronischen Bauteil werden elektrisch leitende Befestigungselemente verwendet, welche die Leiterplatten einerseits mechanisch miteinander verbinden und andererseits auch eine elektrische Verbindung zwischen den Leiterplatten und der Stromversorgung ermöglichen.
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Die Leiterplatten im Leiterplattenpaket sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet und über Distanzhalter in einem gewünschten Abstand zueinander gehalten. Die Form der Leiterplatten kann frei gewählt werden. Es kann eine runde, ovale oder polygonale leiterplattenform sein. Bevorzugt sind rechteckige oder quadratische Leiterplatten, wobei in einem Leiterplattenpaket sowohl Leiterplatten gleicher als auch unterschiedlicher Größe angeordnet sein können. Bevorzugt ist ein Leiterplattenpaket mit Leiterplatten gleicher Form und Größe.
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Die Befestigungselemente, welche die elektrisch leitende und die mechanische Verbindung gewährleisten, werden vorzugsweise randseitig an den Leiterplatten vorgesehen, bei polygonal geformten Leiterplatten vorzugsweise an den Ecken der Leiterplatten. Die Leiterplatten besitzen hierfür an diesen vorgesehenen Verbindungsstellen bohrlochartige Öffnungen für die Befestigungselemente, die von den Befestigungselementen durchgriffen werden. Die auf den Leiterplatten vorgesehenen Leiterbahnen reichen bis an die Verbindungsstellen mit den Befestigungselementen, d. h. bis an diese Öffnungen, heran. Für eine besonders gute Kontaktierung des elektrisch leitenden Befestigungselementes mit den Leiterbahnen der Leiterplatten besitzt das Befestigungselement vorzugsweise einen Bereich, der die Öffnung in der Leiterplatte zumindest bereichsweise überdeckt. In einfachster Weise kann ein solches Befestigungselement eine Schrauben-Mutter-Verbindung sein, wobei der Schaft der Schraube die Öffnung in der Leiterplatte durchdringt, der Schraubenkopf an einer Seite der Leiterplatte anliegt und die Mutter an der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte im Bereich der Öffnung an der Leiterplatte anliegt. Dabei kann in einfachster Weise sowohl über die Mutter als auch über den Schraubenkopf eine Kontaktierung erfolgen, welche durch die mechanische Schraubverbindung mir ausreichendem Kontaktdruck erfolgt.
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Darüber hinaus kann bei einer anderen Ausführung auch der Schaft des elektrisch leitenden Befestigungsmittels eine in die Öffnung hineinreichende Leiterbahn kontaktieren.
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Zur Verbindung mehrerer Leiterplatten zu einem Leiterplattenpaket besitzt jede Leiterplatte entsprechende Öffnungen für die Befestigungselemente, die bei Vorsehen gleicher Leiterplattengrößen und -formen eine gestapelte Anordnung ergibt, bei der die Öffnungen in den einzelnen übereinander angeordneten Leiterplatten fluchten und einen Durchgangskanal für die Befestigungselemente bilden. Für eine stabile mechanische Verbindung dieser Leiterplatten im Leiterplattenpaket werden mindestens drei Öffnungen je Leiterplatte vorgesehen, die bei den übereinander gestapelten Leiterplatten drei Durchgangskanäle im Leiterplattenpaket ergeben. Für die mechanische Verbindung kann je Durchgangskanal ein Befestigungselement vorgesehen werden, beispielsweise in Form einer Schraube oder Gewindestange, die in die einzelnen Öffnungen des Durchgangskanals eingesteckt und endseitig mit einer Mutter verbunden wird. Hierbei werden die jeweiligen Abstände zwischen den einzelnen Leiterplatten über Distanzhalter erzielt. Dies können Gewindemuttern oder metallische Abstandsringe sein, die auf den Schaft des Befestigungselementes geschoben und so gehalten werden. Über die Schraubverbindung wird eine robuste mechanische Verbindung der Leiterplatten im Leiterplattenpaket gewährleistet. Da das vorgesehene Befestigungselement elektrisch leitend ausgestaltet ist und die Leiterbahnen der Leiterplatten bis an die Öffnungen, d. h. bis an die Befestigungselemente, heranreichen, fungieren die Befestigungselemente gleichzeitig als elektrische Verbinder zur Versorgung der auf den Leiterplatten vorgesehenen elektrischen und elektronischen Bauelemente mit der notwendigen elektrischen Energie.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung können mehrere Befestigungselemente je Durchgangskanal vorgesehen werden, wobei jedes einzelne Befestigungselement nur eine Öffnung durchdringt und danach mit dem nächsten Befestigungselement mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist.
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Bei dem Leiterplattenpaket können einzelne, beispielsweise das oder die Befestigungselemente eines Durchgangskanals, oder alle Befestigungselemente für die elektrische Versorgung vorgesehen werden. Wird nur ein Befestigungselement für die elektrische Verbindung dienen die anderen vorgesehenen Befestigungselemente allein zur mechanischen Verbindung der Leiterplatten im Leiterplattenpaket. Werden mehrere oder alle Befestigungselemente für die elektrische Verbindung vorgesehen, stellt vorzugsweise ausschließlich ein Befestigungselement eine elektrische Verbindung mit der Stromversorgung her.
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Bei einer besonderen Ausführungsform wird für eine konstruktive Verstärkung des Leiterplattenpakets eine speziell ausgestaltete Boden- und/oder Deckenplatte vorgesehen. Diese Boden- und/oder deckenplatte kann selbst elektronische Bauteile tragen und eine Leiterplatte sein oder nur Leiterbahnen aufweisen, um die elektrische Verbindung zwischen dem von außen mit elektrischen Strom versorgten Befestigungselement und den weiteren Befestigungselementen des Leiterplattenpaketes zu erzielen.
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Dieses neue elektronische Bauteil stellt eine kompakte Ausführung eines Leiterplattenpakets dar, das durch das Wegfallen von Steckerverbindungen und Lötstellen eine hohe Funktionstüchtigkeit auch bei Vibrationen, Erschütterungen und Temperaturunterschieden gewährleistet und darüber hinaus robust und kompakt ausgeführt ist. Durch den Wegfall von elektrischen Verbindern wird zusätzlich in vorteilhafter Weise Gewicht eingespart.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauteiles;
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2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines weiteren elektronischen Bauteiles;
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3a Befestigungselemente für ein elektronisches Bauteil;
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3b ein weiteres Befestigungselement für ein elektronisches Bauteil;
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3c ein weiteres Befestigungselement für ein elektronisches Bauteil.
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In der 1 ist ein elektronisches Bauteil, nämlich ein Leiterplattenpaket 1 mit vier Leiterplatten 10 gezeigt. Jede Leiterplatte ist mit mehreren elektronischen Bauteilen 11 bestückt, die über elektrisch leitende Verbindungen mit Strom versorgt werden. Diese Leiterbahnen 12 sind bei dieser Ausführungsform gemäß 1 im Wesentlichen auf der Unterseite angeordnet. Jede Leiterplatte 10 besteht dabei aus einer quadratischen isolierenden Unterlage, welche die elektronischen Bauteilen 11 trägt. An jeder Ecke des Leiterplattenpaketes 1 ist ein Befestigungselement 20 zur elektrisch leitenden und mechanischen Verbindung vorgesehen, nämlich eine in 3b gezeigte Schraube, die von unten durch Öffnungen 13, 14, 15, 16 in den Leiterplatten 10, welche besser in 2 zu sehen sind, gesteckt sind und an der Oberseite mit Muttern 26 zu einer stabilen Schraubverbindung verbunden sind. Für ein solches mehrlagiges Leiterplattenpaket 1 werden Distanzhalter 25 zwischen den einzelnen Leiterplatten 10 angeordnet. Diese sind in vorteilhafterweise mit dem Befestigungselement 20 verbunden. In diesem Fall sind es Muttern, welche auf den Schaft 21, der ein Gewinde 24 besitz aufgedreht. Das Befestigungselement 20, welches die Distanzhalter 25 umfasst, gewährleistet in vorteilhafter Weise eine mechanischen Befestigung und eine gleichzeitige Stromführung von einer Leiterplatte 10 zur nächsten Leiterplatte 10. Das Leiterplattenpaket 1 ist wie der 1 zu entnehmen, eine kompakte, äußerst robuste Einheit, die auch beim Aufprall eines Modellflugzeuges keine Deformation zulässt.
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Weitere bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 einsetzbare Befestigungselemente 20 sind in 3a und 3c dargestellt. Das Befestigungselement 20 gemäß 3c ist eine Schraube die nur im unteren Bereich, nämlich zur Verbindung mit der abschließenden Mutter 26 ein Gewinde 24 aufweist.
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In diesem Fall sind die ringförmigen Distanzhalter 25 nur auf den Schaft 21 des Befestigungselementes 20 aufgeschoben. Sie werden jedoch durch die Schraubverbindung mit der Mutter 26 fest an die einzelnen Leiterplatten angedrückt und üben einen ausreichenden Kontaktdruck zu den an die Öffnung 13, 14, 15, 16 heranreichenden Leiterbahnen 12 aus und sichern damit eine gute elektrische Verbindung.
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Gemäß 3a ist eine Befestigung auch mit mehreren schraubenartigen Befestigungselementen 20 möglich, die ineinander geschraubt werden können. Jedes Schraubelement 20 besitzt einen Schaft 21 mit einem Gewinde 24 und einem Schraubkopf 22. Das Gewinde 24 ist in der 2 nicht gezeigt. Der Schaft 21 wird im Beispiel von 2 von unten in eine Öffnung 13, 14, 15, 16 eingesteckt, bis der Kopf 22 an der Unterseite der Leiterplatte 10 anliegt. Der Schraubkopf 22 kann bei dem untersten Befestigungselement 20 flach ausgebildet sein, um eine platzsparende, kompakte Einheit zu erzielen. Bei den weiteren Befestigungselementen 20 stellt der Schraubkopf 22 den Distanzhalter 25 dar. Der Schaft 21 des untersten Befestigungselements 20 wird nach dem Durchstecken durch die erste Öffnung 13, 14, 15, 16 mit dem nächsten darüber angeordneten schraubenartigen Befestigungselement 20 verbunden. Hierzu weist das Befestigungselement 20 vorzugsweise eine Gewindeaufnahme im Schraubkopf 22 auf. Dieses Befestigungselement 20 wird in gleicher Weise durch die nächste Öffnung 13, 14, 15, 16 durchgesteckt und mit dem nächsten Befestigungselement 20 verbunden. Auf diese Weise wird die unterste Bodenplatte 17 mit der darüber angeordneten Leiterplatte 10 verbunden und entsprechend mit den weiteren gleich gestalteten quadratischen Leiterplatten 10, die an den gleichen Stellen, nämlich an den Ecken, Öffnungen 13, 14, 15, 16 besitzen. Über der Deckplatte werden die obersten Befestigungselemente 20 jeweils mit einer Mutter 26 verbunden und auf diese Weise eine stabile mechanische Verbindung erzielt. In vorteilhafter Weise werden bei allen Leiterplatten 10 gleicher Größe und Form die Öffnungen 13, 14, 15, 16 an der gleichen Stelle vorgesehen, sodass bei den übereinander angeordneten Leiterplatten diese Öffnungen vor der Montage fluchten und einen Durchgangskanal für die Befestigungselemente 20 bilden.
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Für die elektrische Versorgung dieses Leiterplattenpaketes 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ausschließlich ein Befestigungselement 20' verwendet, welches in diesem Fall einen längeren Schaft 21 besitzt und dadurch eine Verbindung mit der Konstruktion des Flugzeuges ermöglicht. Über dieses Befestigungselement 20' wird die elektrische Verbindung zur Stromversorgung gewährleistet. Das elektrisch leitend ausgebildete Befestigungselement 20' durchgreift die Öffnung 14 und wird mit einem weiteren Befestigungselement 20 mechanisch und elektrisch verbunden. Dieses Befestigungselement 20 besitzt einen Schraubkopf 22, der größer ist als der Durchmesser der Öffnung 14 und kann auf diese Weise mit seinem elektrisch leitenden Kopf 22 die Leiterbahnen 12 auf der Bodenplatte 17 kontaktieren, die wie gezeigt zur Öffnung 13 führt. In gleicher Weise können auf dieser Bodenplatte 17 auch Leiterbahnen 12 zu den weiteren Befestigungselementen 20, welche die Öffnungen 13, 15, 16 durchgreifen, vorgesehen sein, um über alle Befestigungselemente 20 elektrische Energie zuzuführen. In 2 sind auf den weiteren Leiterplatten 10 die elektrischen und elektronischen Bauelemente 11 der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen. Durch die mechanische Verbindung der Bodenplatte 17 mit der darüber angeordneten Leiterplatten 10 wird auch eine elektrische Verbindung mit den auf diesen Leiterplatten 10 angeordneten Leiterbahnen 12 erzielt, die in diesem Fall bis an die Öffnungen 13, 14 heranreichen. Im Falle, dass die Bodenplatte 17 Leiterbahnen 12 besitzt, die auch die Befestigungselemente 20 kontaktieren, welche die Öffnungen 15, 16 durchgreifen, kann auch über diese Befestigungselemente 20 die elektrische Verbindung mit den weiteren Leiterplatten 10 gewährleistet werden.
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Der 2 ist des Weiteren zu entnehmen, dass vorteilhafterweise die Köpfe 22 der Befestigungselemente 20 als Distanzhalter 25 dienen. Als abschließendes Verbindungselement dient jeweils eine Mutter 26, die oberhalb der obersten Leiterplatte 10 vorgesehen ist. Die unterste Platte, die Bodenplatte 17 ist für eine stabile Einheit verstärkt und weist in diesem Beispiel von 2 nur die Leiterbahnen 12 auf. Über diese verstärkte Bodenplatte 17 und das Befestigungselement 20' ist das Leiterplattenpaket 1 mit dem Flugzeugkörper mechanisch und der Stromversorgung elektrisch verbunden. Es kann jedoch auch eine verstärkte Leiterplatte 10 als Bodenplatte 17 – wie in 1 gezeigt – vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil, Leiterplattenpaket
- 10
- Leiterplatte
- 11
- elektrische Bauelemente
- 12
- Leiterbahnen
- 13
- Öffnung
- 14
- Öffnung
- 15
- Öffnung
- 16
- Öffnung
- 17
- Bodenplatte
- 20, 20'
- Befestigungselement
- 21
- Schaft
- 22
- Schraubkopf
- 24
- Gewinde
- 25
- Distanzhalter
- 26
- Mutter
