DE20309539U1 - Elektronische Schaltung mit integriertem induktiven Bauelement - Google Patents

Description

Elektronische Schaltung mit integriertem induktiven Bauelement

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, insbesondere eine elektronische Schaltung zur Steuerung eines Autotür-Schliesssystems, die ein integriertes induktives Bauelement umfasst.

Bei Autotür-Schliesssystemen ist schon bekannt, einer Person Zutritt zu einem Auto über eine Datenabfrage eines kontaktlosen tragbaren Datenträgers (zum Beispiel in einer Chipkarte oder in einem Schlüsselanhänger) zu ermöglichen. Die Datenabfrage wird durch ein mechanisches Schaltelement ausgelöst, oder durch einen Annäherungssensor, der die Weiterleitung einer Datenabfrage an einen externen tragbaren Datenträger auslöst, wenn sich eine Person dem Handgriff nähert. Der Datenträger (zum Beispiel ein Transponder) wird durch die empfangene Datenabfrage "geweckt" und beantwortet sie, indem er eine Identifizierungsmeldung an das Schliesssystem sendet. Erst im Falle einer gültigen Identifizierung löst die Steuerschaltung die Entsicherung der Tür aus.

Um mit dem externen kontaktlosen Datenträger zu kommunizieren, umfassen bekannte elektronische Steuerschaltungen für Autotür-Schliesssysteme oft einen Sender oder einen Sender-Empfänger mit einer Resonanzschaltung, die beispielsweise aus einer Induktionsspule und einer Kapazität besteht. Die Induktionsspule erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das vom externen Datenträger empfangen wird. Die gewünschte Reichweite beträgt typischerweise etwa anderthalb Meter.

Um die gewünschte Übertragungsfrequenz von beispielsweise 129 kHz mit einer herkömmlichen Kapazität von etwa 15nF zu erreichen, wird eine Induktivität von etwa 110 &mgr;&EEgr; verwendet. Ein solcher Wert benötigt jedoch eine grosse Spule. Die zur Verfügung stehende Dicke in der Handhabe ist sehr klein; dafür kann eine relativ lange Induktionsspule angebracht werden.

Um eine zuverlässige Datenübertragung mit dem externen Datenträger zu ermöglichen, ist es wesentlich, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung stabil und gut definiert ist. Um dieses Ziel zu erreichen werden auch Induktionsspulen mit genau definierten Induktivitätswerten benötigt.

WO9919585 und EP943764 beschreiben beide ein derartiges Autotür-Schliesssystem mit einer Spule, die aus einer Wicklung um einen langen Ferritkern besteht. Je grosser der Ferritkern, desto grosser ist die Empfindlichkeit des induktiven Elementes auf externe magnetische Felder. Deshalb kann der Kern des induktiven Elementes nicht beliebig dünn sein. Er muss relativ massiv sein.

Massive Ferritkerne sind aber zerbrechlich und bei diesen Lösungen nur schlecht vor Stössen geschützt. Ein massiver Kern kann sich auch wegen seines Gewichtes aus seiner Befestigung lösen, was insbesondere für eine Anwendung in einem Autotür-Handgriff, bei denen die externe mechanische Störungen gross sind, ein wesentlicher Nachteil ist.

Die Wicklung um den Kern wird mit einem isolierten elektrisch leitenden Draht gebildet, dessen Enden auf Kontaktpunkte der gedruckten Schaltung gelötet werden, um die Spule mit der Schaltung elektrisch zu verbinden. Die Spule wird dann mit mechanischen Mitteln zum Beispiel an der Schaltung befestigt.

Ausserdem ist das regelmässige Wickeln des Drahtes um den Ferritkern ein aufwendiger Vorgang, der teuere und spezifische Mittel benötigt, um automatisiert zu werden. Insbesondere ist es schwierig, lange flache Induktionsspulen mit genau vordefinierten Induktivitätswerten herzustellen. Es wurde zum Beispiel im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass die ersten und letzten Windungen des Antennendrahtes in der Nähe der beiden Enden des Ferritkemes einen wesentlichen Einfluss auf den Induktivitätswert der Induktionsspule haben. Es ist nämlich wichtig, dass diese Windungen parallel zum Rand des Ferritkerns laufen und dass kein unreproduzierbarer Luftspalt zwischen dem Draht und dem Ferritkern besteht. Insbesondere während der Montage der Induktionsspule (aber auch später infolge von Vibrationen und Stössen) gleiten die Windungen des Antennendrahtes oft über den glatten Ferritkern. Ein weiterer Nachteil ist ausserdem, dass die Montage erschwert wird, weil die Position der beiden freien Enden des Antennendrahtes unbekannt ist.

Bei kürzeren, dickeren Induktionspulen wird dieses Problem meistens dadurch gelöst, dass der Draht auf dem Ferritkern stark angespannt wird. Bei einer langen rechteckigen Induktionsspule würde aber die benötigte Spannung einen Draht mit einem grossen Diameter erfordern, damit der Draht nicht zerreisst. Ein grosser

Drahtdiameter würde aber die Gesamtdicke der Induktionsspule erhöhen, was die Integration in einen flachen Autotür-Ziehhandgriff verunmöglicht. Erfahrungsgemäss sollte der Diameter des Drahtes kleiner als 0,3 mm sein, was die maximale Drahtspannung auf ca. 100 N begrenzt. Diese Spannung ist ungenügend, um eine reproduzierbare und stabile Position der Windungen auf einem sehr langen Ferritkern mit quadratischem Schnitt zu gewährleisten.

Es wurde auch versucht, die gewickelte Induktionsspule in ein polymerisches Material einzugiessen, welches die Wicklungen festhält. Diese Lösung hat ebenfalls den Nachteil, dass die Dicke der Induktionsspule erhöht wird. Ausserdem entstehen durch das Eingiessen zusätzliche Kosten. Die Lage der Windungsenden ist ebenfalls schlecht reproduzierbar.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine gedruckte Schaltung vorzuschlagen, die ein induktives Element umfasst, dessen Wicklung einfach aufzubauen ist.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine gedruckte Schaltung vorzuschlagen, die ein induktives Element mit einer festen Wicklung umfasst.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine gedruckte Schaltung mit einem induktiven Element vorzuschlagen, wobei der Ferritkern des induktiven Elements von mechanischem Stress geschützt wird.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine gedruckte Schaltung mit einem induktiven Element vorzuschlagen, wobei die Lage der Windungsenden gut reproduzierbar ist.

Diese Ziele werden mit einer gedruckten Schaltung erreicht, die die Merkmale des unabhängigen Anspruches aufweist. Merkmale bevorzugter Varianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Insbesondere werden diese Ziele mit einer gedruckten Schaltung erreicht, die mindestens drei zusammengebrachte Leiterplatten, mindestens einen Ferritkern und mindestens eine Wicklung um dem Ferritkern umfasst. Die mindestens eine Wicklung umfasst Leitungen auf mindestens zwei Leiterplatten. Der mindestens eine Ferritkern liegt in einer Öffnung in mindestens einer Leiterplatte zwischen zwei weiteren

• ·

Leiterplatten. Mit diesem Aufbau wird eine mechanisch feste Wicklung einfach durch das Zusammenbringen der Leiterplatten um den mindestens einen Ferritkern aufgebaut, und der mindestens eine Ferritkern selber ist in der gedruckten Schaltung integriert und wird somit mechanisch geschützt.

Im folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen die bevorzugte Variante der gedruckten Schaltung gemäss der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 die obere Leiterplatte der gedruckten Schaltung,

Figur 2 die mittlere Leiterplatte der gedruckten Schaltung,

Figur 3 die untere Leiterplatte der gedruckten Schaltung, und

Figur 4 die ganze gedruckte Schaltung mit dem integrierten induktiven

Bauelement.

Die gedruckte Schaltung gemäss der bevorzugten Variante der Erfindung ist eine mehrschichtige gedruckte Schaltung, die drei Leiterplatten oder Leiterplattenschichten umfasst. Im Folgenden und in den Ansprüchen wird "Leiterplatte" als allgemeiner Begriff für Leiterplatten oder Leiterplattenschichten verwendet.

Die obere Leiterplatte 1 (Figur 1) der gedruckten Schaltung weist eine gewisse Anzahl paralleler gedruckten Leitungen 51 auf. In einer weiteren Variante der Erfindung kann auch die obere Leiterplatte 1 grosser sein und weitere gedruckte Leitungen und Kontaktpunkte für weitere elektronische Komponenten umfassen.

Die Hauptelemente der mittleren Leiterplatte 2 (Figur 2) der gedruckten Schaltung sind Durchführungslöcher 52 und eine Öffnung 20, in die der Ferritkern gelegt wird. Auch die mittlere Leiterplatte kann in anderen Varianten der gedruckten Schaltung grosser sein und weitere gedruckte Leitungen umfassen.

Auf der unteren Leiterplatte 3 (Figur 3) sind schräge parallele Leitungen 53 aufgedruckt. Auf weiteren Teilen 39 der unteren Leiterplatte 1 liegen vorzugsweise weitere Leitungen und Kontaktpunkte für weitere elektronische Komponenten 390, die die gesamte Steuerschaltung zur Steuerung des Autotür-Schliesssystems aufbauen.

Die Steuerschaltung ist vorzugsweise mit einem nicht dargestellten Berührungssensor verbunden, der ein Signal auslöst sobald ein Benutzer einen Finger (insbesondere einen Daumen) auf die äussere Seite des Autotürhandgriffes legt. Ein Annäherungssensor löst ein anderes Signal aus wenn sich eine Hand oder ein anderes geerdetes Objekt nähert. Diese Signale werden von einem Mikrokontroller der Steuerschaltung interpretiert, um eine Datenabfrage an einen externen kontaktlosen •Datenträger (zum Beispiel einen Transponder in einer Chipkarte oder in einem Schlüsselhänger) durch die Spule weiterzuleiten. Die Antwort vom Datenträger wird vom Steuersystem empfangen und analysiert, um die Entsicherung des Autotür-Schliesssystems auszulösen wenn sie die erwartete Identifizierung enthält bzw. wenn sie mit dieser erwarteten Identifizierung signiert wurde.

Um die gedruckte Schaltung gemäss der Erfindung aufzubauen, wird vorzugsweise zuerst die mittlere Leiterplatte 2 auf die untere Leiterplatte 3 befestigt, so dass die Durchführungslöcher 52 an den Enden der schrägen parallelen Leitungen 53 und in elektrischem Kontakt mit diesen liegen. Der Ferritkern 4 wird dann in die Öffnung 20 der mittleren Leiterplatte 2 auf die untere Leiterplatte 3 gelegt. Die obere Leiterplatte 1 wird am Schluss auf die mittlere Leiterplatte 2 befestigt, so dass die Enden der parallelen Leitungen 51 auf den Durchführungslöchern 52 und in elektrischem Kontakt mit diesen liegen.

Somit bilden die Leitungen 53, 51 auf der unteren und auf der oberen Leiterplatte 3, 1 zusammen mit den Durchführungskontakten 52 auf der mittleren Leiterplatte 2 eine Wicklung 5 mit einer bestimmten Anzahl Windungen um den Ferritkern 4. Diese Anordnung bildet also ein integriertes induktives Element mit einem massiven Ferritkern 4, das zum Beispiel durch zwei weitere gedruckte elektrische Leitungen 31, 32 an den Enden der Wicklung 5 mit den weiteren Teilen 39 der gedruckten Schaltung verbunden ist.

Die Wicklung 5 um den Ferritkern 4 ist somit mechanisch fest und kann nicht zerstört oder verformt werden. Die Wicklung wird Einfacherweise durch das Zusammenbringen der drei Leiterplatten gebildet, was mit ganz gewöhnlichen Technologien durchgeführt werden kann, die allgemein zum Aufbau mehrschichtiger gedruckter Schaltungen verwendet werden. Die Lage der Windungen (insbesondere der ersten und letzten Windungen) ist genau reproduzierbar.

Da der Ferritkern 4 zwischen zwei Leiterplatten 1, 3 liegt, wird er völlig in die gedruckte Schaltung integriert und ist somit gegen externen mechanischen Stress geschützt. Um die Befestigung des Ferritkernes 4 zu verbessern und somit die Schadenrisiken noch weiter zu vermindern, kann der Ferritkern 4 auf eine oder beide Leiterplatten 1, 3 geklebt werden, oder es kann eine Gussmasse oder ein Silikon-Gel in die Öffnung 20 um den Ferritkern 4 gegossen werden.

Die obere Leiterplatte 1 und die untere Leiterplatte 3 haben vorzugsweise eine Dicke von 0,2 Millimeter und sind somit flexibel und weniger bruchanfällig. Die Dicke der mittleren Leiterplatte hängt ab von der gewünschten Permeabilität und Dicke des Ferritkerns. In einer typischen Anwendung für ein Autotür-Schliesssystem beträgt sie 0,5 bis 2,0 Millimeter.

Damit die gesamte gedruckte Schaltung trotz der benötigten Grosse des Ferritkernes auch flexibel und weniger bruchanfällig wird, können auch mehrteilige oder laminierte, amorphe oder nanokristalline Ferritkerne („prebroken") verwendet werden, die zum Beispiel aus mehreren nebeneinander gelegten Ferritstücken bestehen.

In der bevorzugten Variante der Erfindung, die als illustratives Beispiel der Erfindung hier oben beschrieben wurde, besteht die gedruckte Leitung aus drei Leiterplatten. Es wird dem Fachmann aber klar sein, dass die gedruckte Schaltung gemäss der Erfindung mehr als drei Schichten Leiterplatten umfassen kann. Zum Beispiel kann die untere Leiterplatte mehrschichtig sein um komplexere gedruckte Schaltungen mit mehr Leitungen bilden zu können.

Die Leitungen und Durchführungskontakte, die zusammen die Wicklung des induktiven Elementes bilden, können somit auch auf mehr als drei Leiterplatten gedruckt werden. Mit einem solchen Aufbau kann zum Beispiel die Wicklung mehr Windungen um den Ferritkern umfassen.

Es können auch mehr als eine Wicklung um den Ferritkern angebracht werden. Eine erste Wicklung kann zum Beispiel eine gewisse Anzahl paralleler Leitungen auf zwei Leiterplatten um den Ferritkern herum umfassen, während eine weitere Wicklung eine möglicherweise unterschiedliche Anzahl paralleler Leitungen auf den selben oder auf weiteren Leiterplatten um den Ferritkern umfasst. Die Anzahl Windungen um den

Ferritkern herum ist somit nicht durch den verfügbaren Platz für die Leitungen auf der oberen oder unteren Leiterplatte begrenzt. Auf dieser Weise können zum Beispiel Transformatoren mit zwei oder mehr Wicklungen in die gedruckte Schaltung integriert werden.

Induktive Bauelemente mit mehr als einer Wicklung können aber auch in eine gedruckte Schaltung mit nur drei Leiterplatten integriert werden, indem zum Beispiel jede zweite oder n-te parallele Leitung auf der unteren und auf der oberen Leiterplatte zu einer anderen Wicklung angeordnet wird. Ein solcher Aufbau, ist besonders zum Aufbau von eins-zu-eins Transformatoren oder von stromkompensierten Drosseln geeignet.

Um einen dickeren Ferritkern in die Schaltung integrieren zu können, kann die mittlere Leiterplatte dicker werden. Dies hat aber den Nachteil, dass die gesamte Schaltung an Flexibilität verliert. Um das zu vermeiden, könnten auch mehrere Leiterplatte mit einer identischen Öffnung zusammengebracht werden, um eine mehrschichtige mittlere Leiterplatte mit der benötigten Dicke aufzubauen.

In der gedruckten Schaltung gemäss der Erfindung kann der Ferritkern des integrierten induktiven Elementes beliebige Formen aufweisen. Es könnte zum Beispiel ein dreieckiger Ferritkern oder ein Ferritkern in der Form des Buchstabens E eingesetzt werden. Übrigens wird der Begriff "Ferritkern" als allgemeiner Begriff für alle weich magnetischen Induktionsspulenkerne verwendet, obwohl der Kern nicht immer aus Ferrit besteht. Der Fachmann wird verstehen, dass der Induktionsspulenkern beispielsweise auch aus einem amorphen Material oder aus einem laminierten Kern bestehen könnte.

Es können auch mehrere selbständige Ferritkerne in einer einzigen gedruckten Schaltung gemäss der Erfindung integriert werden, um mehrere induktive Elemente in die Schaltung zu integrieren.

Die auf den Figuren 3 und 4 dargestellte Ausführungsvariante zeigt eine Schaltung mit einer unteren Leiterplatte 3, die länger ist als die mittlere Leiterplatte 2 und als die obere Leiterplatte 1. Für manche Anwendungen wäre es aber billiger und einfacher, drei zusammengebrachte Leiterplatten 1, 2, 3 mit der gleichen Länge zu verwenden.

Der Ferritkern könnte 4 sich in dieser Variante über die gesamte Länge der drei Leiterplatten erstrecken, oder nur über einen Teil dieser Länge, damit noch Platz für weitere Komponenten 390 übrig bleibt.

Claims (22)

1. Gedruckte Schaltung mit einer Vielzahl von elektrischen Komponenten (390) auf einer Leiterplatte (3), die mindestens drei zusammengebrachte Leiterplatten (1, 2, 3), mindestens einen Ferritkern (4) und mindestens eine Wicklung (5) um den benannten Ferritkern (4) umfasst, wobei die benannte mindestens eine Wicklung (5) Leitungen (51, 53) auf mindestens zwei der benannten Leiterplatten (1, 3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Ferritkern (4) in einer Öffnung (20) in mindestens einer der benannten Leiterplatte (2), zwischen zwei weiteren Leiterplatten (1, 3) liegt.

2. Gedruckte Schaltung gemäss Anspruch 1, enthaltend: eine untere benannte Leiterplatte (1), mindestens eine mittlere benannte Leiterplatte (2) mit der benannten Öffnung für den benannten Ferritkern (4), eine obere benannte Leiterplatte (3).

3. Gedruckte Schaltung gemäss Anspruch 2, in welcher die benannten unteren, mittleren und oberen Leiterplatten ein geschlossenes Gehäuse um den benannten Ferritkern bilden.

4. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, die zur Steuerung eines Autotür-Schliesssystems dient.

5. Gedruckte Schaltung gemäss Anspruch 4, wobei die benannte Induktionsspule (3) mit einer Kapazität in einer Resonanzschaltung verbunden wird, um Daten kontaktlos mit einem externen Datenträger senden und/oder empfängen.

6. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 4 oder 5, die zur Integration in einem Autotür-Handgriff vorgesehen ist.

7. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, in welcher die benannte Wicklung mehrere Windungen umfasst, wobei mindestens ein Teil mindestens einer Windung aus einer Leitung (51; 53) auf einer der benannten Leiterplatten (1; 3) besteht.

8. Gedruckte Schaltung gemäss Anspruch 7, in welcher die benannten obere und unteren Leiterplatten (1, 3) beide Serien von parallelen Leitungen (51; 53) aufweisen, die über Durchführungslöcher (52) durch die benannte(n) mittlere Leiterplatte miteinander elektrisch verbunden sind, um somit eine benannte Wicklung um den benannten Ferritkern (4) zu bilden.

9. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 2 bis 8, in welcher die benannte mittlere Leiterplatte (2) dicker ist als die benannte obere (3) und als die benannte untere Leiterplatte (1).

10. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, in welcher mindestens eine benannte Leiterplatte (3) länger und/oder breiter ist als die anderen Leiterplatten, und in welcher andere elektronische Bauteile (390) auf der benannten längeren und/oder breiteren Leiterplatte montiert sind.

11. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der besagte mindestens eine Ferritkern (4) aus einem massiven Ferrit besteht.

12. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die grösste Abmessung des besagten Ferritkernes (4) in seiner Längsachse mindestens zwanzig Mal grösser als die grösste Abmessung des besagten Ferritkernes in mindestens einer zur besagten Längsachse senkrechten Richtung.

13. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 12, in welcher der benannte Ferritkern (4) flexibel ist.

14. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, in welcher mindestens eine benannte Leiterplatte (1, 2, 3) flexibel ist.

15. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 14, in welcher eine Masse durch die benannte Öffnung um den benannten Ferritkern gegossen wird.

16. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 15, in welcher sich der benannte Ferritkern (4) in der benannten Öffnung bewegen kann.

17. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 16, in welcher die Höhe des benannten Ferritkerns (4) kleiner ist als die Höhe der benannten Öffnung, so dass die benannten Leiterplatten gebogen werden können, ohne den Ferritkern zu zerbrechen.

18. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 17, in welcher mehrere Wicklungen um den benannten Ferritkern (4) herum angebracht sind.

19. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei mindestens eine benannte Leiterplatte mehrschichtig ist.

20. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die mindestens eine Wicklung (5) und der mindestens ein Ferritkern (4) Bestandteile einer Induktionsspule sind.

21. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die mindestens eine Wicklung (5) und der mindestens eine Ferritkern (4) Bestandteile eines Transformators sind.

22. Gedruckte Schaltung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die mindestens eine Wicklung (5) und der mindestens eine Ferritkern (4) Bestandteile einer stromkompensierten Drossel sind.