DE19607092A1 - Antennenspule für Fahrbereitschaftssysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenspule, d. h. eine Induktivität, deren Magnetkreis zu we­ sentlichen Anteilen durch Luft verläuft, um elektromagnetische Schwingungen ein- oder aus­ koppeln zu können, was die Funktion einer Antenne ausmacht. Das Gehäuse dieser Anten­ nenspule muß auf einer Schaltungsplatte mit flächenhaften ("gedruckten") Leiterbahnen durch Oberflächenmontage (besser bekannt unter der englischen Bezeichnung "surface mounted device" = SMD) kontaktierbar sein, was gegenüber anderen Montageverfahren den Vorteil der Möglichkeit einer besonders rationellen automatischen Bestückung sowie der be­ sonders geringen Bauhöhe hat. Zugleich muß die Konstruktion der Antennenspule unter er­ schwerten Einsatzbedingungen, wie sie beispielsweise für Fahrberechtigungs- und Siche­ rungssysteme vom Automobilbau vorgegeben werden müssen, eine besonders hohe Prüf- und damit Betriebszuverlässigkeit aufweisen. Die Lötverbindung der Antennenspule zur Leiter­ platte muß eine sichere Arretierung auch im robusten Fahrbetrieb erlauben.

Es ist bereits eine große Anzahl von Induktivitäten in SMD-Ausführung bekannt, wobei zwi­ schen solchen mit geschlossenem oder allenfalls gering geschertem Magnetkreis (Übertrager, Drosseln mit Topfkern, X-Kern oder dergleichen) und Antennenspulen mit weitgehend offe­ nem, zu großen Anteilen durch Luft verlaufenden Magnetkreis zu unterscheiden ist. Bei den zuerst genannten Induktivitäten ist die Achse des Magnetkerns meist senkrecht zur Montage­ fläche (Leiterplatte) angeordnet (elektronik industrie Nr. 10/1992, S. 92-26), was die Bau­ höhe vergrößert. Solche Induktivitäten können zwar hinsichtlich der Gestaltung der Kontakt­ flächen, nicht jedoch hinsichtlich der Gesamtkonstruktion Anregungen für die Gestaltung von Antennenspulen in SMD-Ausführung geben.

Aus der erwähnten Veröffentlichung in der Zeitschrift "elektronik industrie" sind verschie­ dene, in den Kunststoffspulenkörper eingeformte Kontaktanordnungen aus Metall bekannt. Die sogenannten "Tellerstifte" werden in dieser Veröffentlichung als optimal hinsichtlich des Flächenbedarfs auf der Leiterplatte, jedoch wegen sogenannter "Eiszapfenbildung" beim Anlöten der Wickeldrähte und wegen der Abschattung beim Reflow-Löten und erschwerter Sichtkontrolle der Lötstellen bereits in der Veröffentlichung als nachteilig eingeschätzt. Hin­ zu kommt als Nachteil, daß die vertikale Anordnung der Tellerstifte zwar in der Flächenaus­ dehnung auf der Leiterplatte Platz einzusparen hilft, zugleich aber die Bauhöhe vergrößert.

Günstiger sind in dieser Beziehung ein Anschluß in Form eines gestreckten "S", der soge­ nannte "Gullwing"-Anschluß und der L-Anschluß. Sie erfordern zwar mehr Fläche auf der Leiterplatte, aber die Lötstelle ist besser visuell kontrollierbar und die Bauhöhe der ganzen Vorrichtung wird vermindert, wenn auch nur dann in vollem Maße, wenn es der Spulenkör­ per oder ggf. ein Gehäuse zulassen. Eine weitere dort veröffentlichte und empfohlene Aus­ führung, der sogenannte J-Anschluß, weist eine räumliche Trennung der Funktionen von Wicklungsanschluß und Kontaktierung auf der Leiterplatte (mittels einer gerollten Blechzun­ ge) bei einer ansonsten einstückigen Ausführung auf. Diese letztgenannte Ausführung erfor­ dert ein sehr kompliziert geformtes Blech-Stanz- und -Biegeteil. Allen diesen Ausführungen ist gemeinsam, daß die Einformung des Blechteils in das Kunststoffteil insbesondere bei der thermischen Belastung beim Löten aber auch bei mechanischen Belastungen eine Schwach­ stelle der Bauelementezuverlässigkeit darstellen kann. Ein spezielles Umspritzverfahren, bei welchem die Formteilungsebene asymmetrisch in die Ebene der Blechteile gelegt wird (DE 40 23 141), hat die Abstellung genau dieses Mangels zur Aufgabe. Es kuriert aber nur an den Symptomen, ohne die Aufgabe der Erreichung höchster Zuverlässigkeit prinzipiell zu lö­ sen.

Integrierte Ausführungen, bei denen an den Kern einstückig angeformte Kontaktierungs-Füße aus Keramik, insbesondere aus Ferrit, mit der Drahtwicklung verbunden werden, sind so­ wohl für Übertrager-Lochkerne mit waagerechter, d. h. zur Leiterplatte paralleler Achse (DE 38 20 976) als auch für Stabkerne (DE 39 38 718) bekannt geworden. Im erstgenannten Fall wird ein sehr kompliziert gestaltetes und damit problematisches Keramik-Spritzteil verwen­ det. Im zweiten Fall ist vorgesehen, nach der Montage auf der Leiterplatte ein vorzugsweise thermoplastisches Oberteil aus der Drahtwicklung herauszuziehen, um die Induktivität durch Biegen derselben abgleichen zu können. Diese an sich erwünschte Möglichkeit birgt hohe Risiken bezüglich der oben erwähnten erforderlichen Zuverlässigkeit des Bauelements in sich.

Schließlich sind weitere Ausführungsformen von SMD-geeigneten Induktivitäten bekannt geworden, welche verschiedene Möglichkeiten der Platzausnutzung ausgestalten, wiederum ohne dem erwähnten Zuverlässigkeitsaspekt voll Rechnung zu tragen:
Das Deutsche Gebrauchsmuster G 90 17 912.9 beschreibt, offenbar in Anlehnung an das im Zusammenhang mit DE 40 23 141 beschriebene Herstellungsverfahren, rechtwinklig ausge­ bildete und parallel aber außermittig am Trägerkörper befestigte Anschlußlaschen.

Das Deutsche Gebrauchsmuster G 89 04 003.1 beschreibt ein seitlich offenes Kunststoffge­ häuse mit eingeformten L-förmigen Anschlußelementen, deren Lötfläche nur wenig aus der Gehäuseunterseite herausragt.

Die Deutsche Patentanmeldung 36 15 307 beschreibt schließlich eine platzsparende Luftspule mit rechteckigem Querschnitt ohne Kern und Gehäuse, welche an ihrer Oberseite vorzugsweise mit Silikon beschichtet ist, um dort eine ebene Fläche auszubilden und mit ih­ ren abisolierten Drahtenden direkt mit der Leiterplatte verlötet wird.

Unter voller Berücksichtigung der erwähnten Zuverlässigkeitsaspekte (6 σ-Niveau) ist wei­ terhin eine Antennenspule mit oberflächenmontierbarem Gehäuse nach dem Oberbegriff die­ ser Erfindung vorgeschlagen worden, welche seitliche Kontaktierungsfortsätze aufweist, die mit den Enden des Wicklungsdrahtes umwickelt sind (Deutsche Patentanmeldung 195 47 091.5). Diese technische Lösung erfüllt hinsichtlich ihres Flächenbedarfes und ihrer Induk­ tivitätskennwerte noch nicht alle Anforderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach herzustellende, extrem platzsparen­ de, für Induktivitäten von 50 . . . 500 µH ± 5% bei einer optimalen Bandbreite auslegbare Antennenspule mit oberflächenmontierbarem Gehäuse zu schaffen, die auch den strengen und höchst komplexen Zuverlässigkeitsanforderungen (6 σ-Niveau) genügt.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.

Die erfindungsgemäße Antennenspule ermöglicht eine extrem geringe Bauhöhe auch im montierten Zustand, indem die aus den unteren Schenkeln der U-förmigen Blechstreifen ge­ bildeten Lötpads nur der mechanischen Befestigung dienen, während die elektrische Kontak­ tierung an den verlängerten oberen Schenkeln in einem ansonsten kaum nutzbaren Raum er­ folgt. Dadurch wird zugleich der zusätzliche Flächenbedarf seitlicher Kontaktierungsfortsät­ ze, wie sie der zuletzt genannte Stand der Technik aufweist, vermieden. Insgesamt ermög­ licht die erfindungsgemäße Ausführung auch die aufgabengemäße Erweiterung der elektri­ schen Kennwerte (großer Induktivitätsbereich und optimale Bandbreite).

Beispielsweise wurden mit erfindungsgemäß ausgeführten Antennenspulen die folgenden Tests bestanden:

• - Trockene Kälte nach IEC 68-2-1 und trockene Wärme nach IEC 68-2-2 zur Gewähr­ leistung eines Betriebstemperaturbereichs von -40 bis +125°C sowie eines Lager­ temperaturbereichs von -50 bis +150°C.
• - Lötfähigkeit einschließlich Reflowlötfähigkeit nach IEC 68-2-20.
• - Beschleunigungsbeständigkeit bis 30 g.
• - Schwingungsfestigkeit von 50 Hz gleitend bis 2000 Hz nach IEC 68-2-6.
• - Flußmitteldichtheit nach DIN 41640, Teil 83.
• - Waschmittelbeständigkeit nach IEC 68-2-45.
• - Widerstandsfähigkeit gegen rasche Temperaturwechsel nach IEC 68-2-14.
• - Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Schockbeanspruchung nach IEC 68-2-27.
• - Lagerung und Betrieb bei feuchter Wärme und zyklischen Temperaturänderungen nach IEC 68-2-30.
• - Widerstandsfähigkeit gegen halbsinusförmige mechanische Dauerschocks nach IEC 68-2-29.
• - Widerstandsfähigkeit gegen 8 kPa Unterdruck nach IEC 68-2-13, was einem Höhentest von etwa 17.000 m entspricht.
• - Widerstand gegen Entflammen nach IEC 695-2-2.
• - Mechanische Widerstandsfähigkeit der Anschlüsse nach IEC 68-2-21.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die erfin­ dungsgemäße Antennenspule soll beispielsweise bei einer Betriebsfrequenz von 125 kHz eine Induktivität von 200 µH ± 5% und eine Bandbreite von 10 kHz aufweisen. Die beigefügten Zeichnungen zeigen eine solche Antennenspule für Fahrbereitschaftssysteme stark vergrö­ ßert:

Fig. 1: eine Ansicht von unten.

Fig. 2: eine Seitenansicht.

Fig. 3: eine Ansicht von oben, jedoch ohne angeschlossene Wicklungsenden.

Fig. 4: einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 3.

Auf einem Ferritstabkern 3 von 1,65 mm Durchmesser und 11 mm Länge aus einem Werk­ stoff für Antennenstäbe mit einer relativen Anfangspermeabilität µ_i = 2000 sind 145 Win­ dungen eines lackisolierten Kupferdrahtes 2 von 0,08 mm Durchmesser aufgebracht. Das Ganze ist in ein Gehäuse 6 aus bis zu 250°C wärmebeständigem Polyamid, welches die dar­ gestellte Form hat, eingepaßt. Die beiden Verbreiterungen 8 des Gehäuses 6 weisen paarweise eingefügte U-förmige Metallstreifen 1 und 5 auf, die auf der Gehäuseunterseite 9 zur Bil­ dung von Lötpads für die spätere mechanische Befestigung durch SMD-Löten aufliegen (Fig. 2 und 4). Die Enden 4 des Drahtes 2 sind beidseitig durch eine trapezförmige, seitliche Ausparungen 7 ohne das Material übermäßig beanspruchende Biegungen oder Verdrillungen über Abschrägungen 10 der in Fig. 1 bis 3 unten liegenden Verbreiterungen 8 zu den verlän­ gerten oberen Schenkeln der Blechstreifen 5 geführt (Fig. 2) und dort von ihrer Isolierung befreit und jeweils zweimal um die Blechstreifen 5 gewickelt und mittels Weichlot fixiert. Die Fixierung des bewickelten Ferritstabkerns 3 im Gehäuse 6 erfolgt an den beiden Enden durch jeweils einen Tropfen eines durch Ultraviolettstrahlung aushärtbaren Klebers (nicht dargestellt). Auf der Oberseite der Verbreiterungen 8 sind die Blechstreifen 1 und 5 in jene eingesenkt, was hier allein aus Platzgründen nicht notwendig wäre, aber ihren Halt am Ge­ häuse 6 verbessert. Die mit den Wicklungsenden 4 umwickelten verlängerten Enden der U-för­ migen Blechstreifen 5 dienen der elektrischen Verbindung der erfindungsgemäßen Anten­ nenspule mit übrigen Schaltung des Fahrtbereitschaftssystems. Die Konstruktion und Ausfüh­ rung der erfindungsgemäßen Antennenspule ermöglichen es, das 6 σ-Niveau des Leiterkar­ tenaufbaues mit dieser Antennenspule einzuhalten und gestatten auch eine automatische Bestückung.

Claims (3)

1. Antennenspule für Fahrbereitschaftssysteme mit einem vorzugsweise in mehreren Lagen bewickelten schlanken Ferritstabkern, dessen Scherungsverhältnis L/D < 5 ist und der in ei­ nem oberflächenmontierbarem, an seiner Unterseite offenem, langgestrecktem Gehäuse aus bei Löttemperatur hitzebeständigem Kunststoff eingepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Gehäuse (6) an seinen beiden Enden in Längsrichtung in eine Verbreiterung (8) mün­ det, die unten bündig mit der Gehäuseunterseite (9) abschließt, eine geringere Höhe als das übrige Gehäuse (6) im Bereich des Ferritstabkerns (3) hat und sich in Längsrichtung über den Bereich des Ferritstabkerns (3) hinaus erstreckt;
• - in beide Verbreiterungen (8) Paare U-förmiger Metallstreifen (1; 5) derart eingefügt sind, daß die beiden "U" jeweils zur Stirnseite der Verbreiterung (8) hin offen sind und deren untere Schenkel zur Bildung von Lötpads für die Oberflächenmontage auf der Gehäu­ seunterseite (9) aufliegen; und
• - die oberen Schenkel eines Paares der U-förmigen Metallstreifen (5) in Längsrichtung über die Stirnflächen der Verbreiterung (8) hinaus verlängert und mit den Drahtenden (4) der Wicklung (2) umwickelt sind.

2. Antennenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände des Ge­ häuses (6) in der Nähe eines Endes der Wicklung (2) eine von der Gehäuseunterseite (9) bis etwa in Höhe der Mittelachse des Ferritstabkerns (3) reichende Ausparung (7) aufweisen, die in eine Abschrägung (10) der unmittelbar angrenzenden Verbreiterung (8) mit den oben ver­ längerten Blechstreifen (5) übergeht, wobei die Drahtenden (4) der Wicklung (2) auf der Ab­ schrägung (10) zwangfrei entlanggeführt sind.

3. Antennenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Schenkel der U-förmigen Metallstreifen (1; 5) in die Oberseite der Verbreiterungen (8) eingesenkt sind.