DE3876642T2

DE3876642T2 - Scheibenlaeufer.

Info

Publication number: DE3876642T2
Application number: DE19883876642
Authority: DE
Inventors: Uka K Harshad
Original assignee: Mica Corp
Current assignee: Mica Corp
Priority date: 1987-02-05
Filing date: 1988-02-03
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2008-02-04
Also published as: EP0277653B1; EP0277653A2; EP0277653A3; DE3876642D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf scheibenförmige Anker (sogenannte "pancake- Anker") für elektrische Maschinen, wie Elektromotoren, die zwei oder mehr Lagen elektrisch leitender Schaltkreismuster haben, von denen jedes Paar durch eine Isolierschicht getrennt ist, und die leitend verbunden sind, um die Muster in einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis zu vereinigen.
Scheibenförmige Anker, die zwei oder vier Anordnungen radial verlaufender Aluminium- oder Kupferwicklungssegmente in einem flachen Profil paralleler Ebenen haben, die durch dielektrisches Material getrennt sind und die über überlappende Ansätze an benachbarten Anordnungen an inneren und äußeren ringförmigen Kränzen, die miteinander verschweißt bzw. verlötet sind, um sie zu verbinden und eine "closed wave winding" zu bilden, sind bekannt. Sie sind z.B. in den US-PS 3 450 909, 3 450 918, 3 480 815, 3 488 539, 3 500 095 und 3 549 928 erläutert. Wenn die Segmente aus Aluminium sind, hat die beschriebene Konstruktion eine Kupferbürstenspur, die auf die Segmente an einer der Anordnungen aufgebracht ist. Es wird in diesen Patenten empfohlen, daß die Anordnungen als Metall-Lamellenbleche ausgebildet sind.
Ein Stanzvorgang liefert Schichten von Leitern, die selbsttragend und die in geeigneter Weise in parallelen Ebenen, getrennt durch dielektrisches Material, montiert werden können, da jedoch ein sogenanntes "blanking die" (Ausschneidwerkzeug) erforderlich ist, um die Leiter zu erzeugen, erfordert jede Formänderung zeit- und kostenaufwendige Werkzeugwechsel. Auch ist der Schweißvorgang schwierig zu kontrollieren; jeder Fehler bei der Leistungseinstellung führt zu einer ausgebrannten Schweissung, und wenn irgendeine Verunreinigung zwischen die Schichten in dem Ansatzbereich vorhanden ist, kann die Verbindung teilweise oder vollständig nichtleitend sein.
Zweiseitige Anker, die die Rotoren elektrischer Motoren bilden und zwei Lagen leitender Halbwindungs-Wicklungen haben, die durch Photo-Ätz- oder Maskendrucktechniken auf den gegenüberliegenden ringförmigen Seiten eines isolierenden scheibenförmigen Trägers gebildet werden, sind z.B. in den US-PS 3 144 574, 3 231 774, 3 223 870 und 4 341 973 erläutert, in denen die Wicklungen auf jeder Seite durch hartgelötete oder geschweißte Ansätze am Umfang oder durch Metallisierungsbohrungen verbunden sind, die sich von einem Satz halbwindungs-gewickelten Leitern zum anderen erstrecken. Solch eine "Durchgangsbohrungs-Metallisierung" ist insbesondere in den US-PS 3 231 774, 3 223 870 und auch in den US-PS 3 046 427, 3 091 715 und 3 159 764 gezeigt.
Diese Konstruktionen sind jedoch für die Konstruktion effizienter Motoren nicht geeignet, da die verwendete Schaltungsanordnung in üblicherweise durch das Vorhandensein von nur zwei leitenden Schichten und im Fehlen geeigneter Techniken für die Herstellung von vier oder mehr leitenden Schichten von Wicklungssegmenten begrenzt ist. Es besteht die Notwendigkeit für einen scheibenförmigen Anker mit vier oder mehr Schichten von Wicklungen, die mit größerem Wirkungsgrad durch Erzeugen eines größeren Drehmoments und weniger Wärme pro Elektrizitätseinheit arbeiten, insbesondere für effizientere Techniken für ihre Herstellung auf einer Massenproduktionsbasis, um die Anforderungen hochvolumiger Anwendungsfälle wie PCs zu erfüllen.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Ankers, bestehend aus der Verwendung einer Druckmaskierung, um auf beiden Seiten eines isolierenden Distanzelements ein elektrisches Halbwindungs- Schaltkreismuster zu ätzen oder abzulagern und dadurch zwei leitende Schichten auf dem isolierenden Distanzelement zu bilden, und aus dem elektrischen Verbinden der leitenden Schichten durch eine metallisierte Bohrung, die sich durch die leitenden Schichten und das isolierende Distanzelement erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres isolierendes Distanzelement mit jeder der beiden leitenden Schichten in Kontakt gebracht wird, und daß eine zusätzliche leitende Schicht, die mit dem benachbarten Bereich der zuvor gedruckten inneren Schaltkreismuster übereinstimmende Bereiche aufweist, auf jedes der äußeren Distanzelemente durch Anwendung einer ähnlichen Maskierung aufgebracht wird, um auf den äußeren isolierenden Distanzelementen komplementäre äußere elektrische Halbwindungs- Schaltkreismuster zu ätzen oder abzulagern, daß die isolierenden äußeren Distanzelemente anhaftend auf die leitenden Schichten laminiert werden, um ein stabiles einheitlichles Mehrschichtlaminat zu bilden, und daß jedes der äußeren elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismuster mit dem benachbarten der zuvor gedruckten elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismuster durch eine metallisierte Bohrung verbunden wird, die sich durch die jeweiligen leitenden Schichten und das äußere isolierende Distanzelement erstreckt, um die vier gedruckten elektrischen Schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis zu verbinden.
Vorzugsweise umfaßt die Anordnung des einheitlichen Mehrschichtlaminats die Schritte des Aufbringens auf jeder Seite der zuvor gedruckten elektrischen Halbwindungs- Schaltkreismuster eines äußeren isolierenden Distanzelements und einer Folie aus leitendem Material, die Anwendung von Wärme und Druck, um die Schichten der Anordnung aneinander haften zu lassen, das Aufbringen auf jeder Seite des Mehrschichtlaminats einer Schicht aus Photowiderstandsmaterial und einer Druckmaske, die für UV- Licht undurchlässige Bereiche entsprechend den und in Schaltkreisübereinstimmung mit den elektrischen Schaltkreismustern, das Belichten jeder Seite des Mehrschichtlaminats mit UV-Licht, das Entfernen der Masken, das Waschen und Ätzen jeder Seite, und die Entfernung der Masken und des nicht belichteten Photowiderstandsmaterials.
Vorzugsweise wird in jedes der isolierenden Distanzelemente, auf die die beiden äußeren leitenden Schichten gedruckt werden, eine Außenflächenschicht aus Material eingebracht, die weicher als das übliche Material der isolierenden Distanzelemente ist, und Druck wird auf beide leitenden Flächen des einheitlichen Mehrschichtlaminats aufgebracht, um wenigstens teilweise die vorstehenden äußeren elektrischen Schaltkreismuster in die weichere Oberflächenschicht einzubetten.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird auch vorzugsweise vorgeschlagen, daß eine vorbestimmte Anzahl von elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismustern beabstandet auf beiden Seiten des isolierenden Distanzelements geätzt oder abgelagert wird, die mit den anderen Komponenten des einheitlichen Mehrschichtlaminats und der Schicht Photowiderstandsmaterials so dimensioniert werden, daß sie die gleiche Anzahl von scheibenförmigen Ankern umfassen, und daß die Schritte beim Zusammenbau des Mehrschichtlaminats das Aufbringen einer Maske auf jeder Seite umfaßt, die die gleiche Anzahl von UV-Licht undurchlässigen Bereichen entsprechend den und in Schaltkreisübereinstimmung mit den Halbwindungs-Schaltkreismustern hat, und daß nach Entfernen der Masken das Mehrschichtlaminat in mehrere Kreise geschnitten wird, von denen jeder einen scheibenförmigen Anker umfaßt.
Ebenfalls gemäß der Erfindung zeichnet sich ein scheibenförmiger Anker, der für die Verwendung in einem Elektromotor geeignet ist und aus zwei elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismustern besteht, die auf einem selbsttragendem, isolierenden Distanzstück geätzt oder abgelagert und durch leitende Durchgangsbohrungs- Verbindungen elektrisch verbunden sind, von denen jede durch das isolierende Distanzelement verläuft, um die geduckten elektrischen Schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis zu vebrinden, dadurch aus, daß sie aus einem stabilen Laminat besteht, das sich aus zwei oder mehr Paaren elektrischer Halbwindungs- Schaltkreismuster zusammensetzt, die auf drei oder mehr isolierender Distanzelemente geätzt oder abgelagert und die durch leitende Durchgangsbohrungs-Verbindungen elektrisch leitend verbunden sind, von denen jede durch ein isolierendes Distanzelement verläuft, um die gedruckten elektrischen Schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis zu verbinden.
Vorzugsweise wird bei einem scheibenförmigen Anker gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß ein äußeres elektrisches Halbwindungs-Schaltkreismuster auf einem äußeren isolierendem Distanzelement geätzt oder abgelagert ist, das auf jede Seite des laminierten Paars leitender Schichten laminiert ist, und daß jedes der äußeren elektrischen Schaltkreismuster in komplementärer Übereinstimmung und durch leitende Durchgangsbohrungs-Verbindungen mit den benachbarten der genannten, zuvor gedruckten elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismuster mittels metallisierter Bohrungen elektrisch verbunden ist, die sich durch die jeweiligen leitenden Schichten und das äußere isolierende Distanzelement erstrecken und die vier gedruckten elektrischen Schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis verbinden.
Weiterhin wird vorzugsweise vorgeschlagen, daß bei einem scheibenförmigen Anker gemäß der Erfindung das Material der Außenflächenscäicht der isolierenden Distanzelemente nahe den beiden äußeren Schichten weicher als das der übrigen isolierenden Distanzelemente ist, und daß die vorstehenden äußeren elektrischen Schaltkreismuster wenigstens teilweise in der weicheren Oberflächenschicht eingebettet sind.
Es ist zu beachten, daß bei einem scheibenförmigen Anker gemäß der normalerweise bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die äußeren Enden der elektrischen Schaltkreismuster, die auf den isolierenden Distanzelementen geätzt oder abgelagert sind, vom Umfang des den Anker bildenden Laminats entfernt sind, so daß die Kanten der elektrischen Schaltkreismuster durch die isolierenden Schichten am Umfang des Ankers geschützt sind.
Vorzugsweise sind bei einem scheibenförmigen Anker gemäß der Erfindung kurze radiale Linien nahe dem Umfang des Ankers geätzt oder aufgebracht, um eine Lichtquelle zu reflektieren und als Tachometer zu wirken.
Die Erfindung schafft eine flexible Wahl leitender Metallschichten und isolierender Substrate in Abhängigkeit vom Anwendungsfall. Die leitende Überzugsmaterialschicht kann irgendein Metall umfassen, das üblicherweise für diesen Zweck verwendet wird, wie Kupfer, Aluminium, Nickel und rostfreien Stahl. Ein Aluminium-Kupfer-Gemisch (eine Aluminiumfolie oder Platte), überzogen mit einer dünnen Folie aus Kupfer) hat den Vorteil der geringeren Trägheit von Aluminium (wegen der geringeren Dichte) und des niedrigeren Bürstenkontakt-Widerstands von Kupfer und der hohen Leitfähigkeit; das Kupfer wird beim Endprozeß für alle Bereiche mit Ausnahme des Bürstenkontaktbereichs entfernt. Z.B. wird, wenn es erforderlich ist, das Gewicht zu verringern, ein teilweise mit Kupfer beschichtetes Aluminiumsubstrat anstelle von Kupfer verwendet.
Das Substrat, das die isolierende Schicht und die Hauptdrahtkonstruktion für den Anker bildet, kann z.B. Mylar, beschichtet mit Klebstoff (liefert eine niedrige Trägheit und ist zum Laminieren geeignet), einen Polyimidfilm, der mit einem Klebstoff beschichtet ist, mit Phenolharz verstärktes Papier (ein billiges, festes und selbsttragendes Material), mit Epoxy imprägniertes Fiberglas, und spezielle Substrate umfassen, die spezielle elektrische Eigenschaften haben, wie eine spezielle Dielektrizitätskonstante, einen speziellen Wärmeableitungsfaktor oder einen speziellen dielektrischen Verlustfaktor; Teflon und Polysulphon sind Beispiele hierfür. Z. B. wird, wenn es notwendig ist, die die Elektrizitätskonstante der Isolierung zu verringern, ein Teflon- oder Polysulphonsubstrat anstelle eines Epoxysubstrats verwendet. Polymer enthaltende Substrate, die mit einer Schicht aus weicherem Material versehen werden können, sind für die äußeren isolierten Schichten geeignet, wenn die äußeren leitenden Elemente teilweise in das Substrat eingebettet werden müssen.
Es ist möglich, einzelne isolierende Schicht aus extrem flexiblem Substratmaterial durch Einfügen einer verstärkenden Schicht in die Konstruktion herzustellen.
Rippen in Form von Speichen oder nur konzentrische Ringe können eingebracht werden, um eine mechanische Abstützung für den Anker zu schaffen.
Es wird nun auf die Zeichnungen bezug genommen, bei denen die gleichen Bezugsziffern das gleiche Element in allen Figuren bezeichnet.
Fig. 1 erläutert den Stand der Technik und ist eine Aufsicht, aus der das Metallstanzteil hervorgeht, das verwendet wird, um die Leiteranordnungenbeim Anker der US-PS 3 450 918 des Standes der Technik zu bilden;
Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung des Vierschichtenankers, der aus dem Stanzteil der Fig. 1 hergestellt wird;
Fig. 3 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung des inneren Schichtaufbaus des Materials, das zur Bildung der Anker gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung der Schichten der Fig. 3 in einem montierten Laminat;
Fig. 5 zeigt die Anwendung einer Photowiderstandsschicht auf jede der leitenden äußeren Kupferseiten des Laminats der Fig. 4;
Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung, die die Anordnung der Maskierung über jeder der Photowiderstandsschichten der Fig. 5 hervorgeht;
Fig. 7 ist eine vergrößerte Aufsicht der Ecke des oberen Teils der Maske in Fig. 6;
Fig. 8 ist eine Fig. 7 ähnliche Darstellung, die eine vergrößerte Aufsicht der Ecke des unteren Teils der Maske in Fig. 6 zeigt;
Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Zwischenanordnung beim Verfahren gemäß der Erfindung, die die Einrichtung zum Halten der Masken gegen die Photowiderstandsschichten zeigt;
Fig. 10 ist eine Fig. 9 ähnliche Darstellung, die eine alternative Einrichtung zum Halten der Masken zeigt, wobei die Halteeinrichtung durch das Laminat und die Photowiderstandsschichten verläuft;
Fig. 11 ist eine Schnittdarstellung der Anwendung von UV- Licht durch die Masken, um die Photowiderstandsschicht in den belichteten Bereichen selektiv zu härten;
Fig. 12 ist die Anordnung der Fig. 11 nach dem Entfernen der Masken, dem Abwaschen des nicht belichteten Photowiderstandsmaterials auf beiden Seiten, und dem selektiven Ätzen der leitenden Schichten in denjenigen Bereichen, die durch das UV-Licht-gehärtete Photowiderstandsmaterial nicht abgedeckt waren;
Fig. 13 ist das laminierte Paar leitender Schichten der Fig. 12 nach dem Entfernen des gehärteten Photowiderstandsmaterials;
Fig. 14 ist in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung die Anordnung der äußeren Schichten eines nicht leitenden Substrates und der leitenden Überzugsschichten auf dem laminierten Paar der leitenden Schichten in Fig. 13;
Fig. 15 ist eine Aufsicht auf die Ecke des laminierten Paares der leitenden Schichten in Fig. 14;
Fig. 16 ist eine Schnittdarstellung durch die Anordnung, die sich aus der Kombination der Elemente in Fig. 14 ergibt,
Fig. 17 ist die Anordnung der Fig. 16, wobei die Photowiderstandsschicht auf beide äußeren leitenden Schichten und Masken in übereinandergeordneter, jedoch nicht anliegender Stellung aufgebracht ist;
Fig. 18 ist eine vergrößerte Aufsicht einer der Masken der Fig. 17 an der angegebenen Ecke;
Fig. 19 ist eine vergrößerte Aufsicht der anderen der Masken der FIg. 17 an der angegebenen Ecke;
Fig. 20 ist eine Schnittdarstellung der Elemente der in Fig. 17 mit den Masken in aneinanderliegender Beziehung;
Fig. 21 zeigt die Belichtung des Photowiderstandsmaterials mit UV-Licht durch die Masken der laminierten Anordnung in Fig. 20;
Fig. 22 zeigt das Laminat der Fig 21 in Querschnitt nach dem Entfernen der Masken und des nicht belichteten Photowiderstandsmaterial sowie nach dem Abätzen des leitenden Materials in den nicht abgedeckten Bereichen;
Fig. 23 zeigt das Laminat der Fig. 22 nach dem Entfernen des gehärteten Photowiderstandsmaterials;
Fig. 24 zeigt eine Schnittdarstellung des weiteren Schritts bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die äußeren leitenden Schaltkreismuster teilweise in das Substratmaterial eingebettet sind;
Fig. 25 zeigt im Schnitt das nachfolgende Aufbringen eines durch Wärme erweichbaren, nicht leitenden Metalls oder eines Legierungsmaterials auf die Schaltkreismuster des Laminats der Fig. 24;
Fig. 26 zeigt das durch Erweichen mittels Wärme verursachte Zurückfließen des durch Wärme erweichbaren Materials der Fig. 25, um gekrümmte, bzw. verrundete Kanten zu bilden und die Reibung zwischen den Schaltkreisen und den Bürsten zu verringern, wenn das Laminat den Anker eines Elektromotors bildet;
Fig. 27 zeigt die Verwendung einer Vorlageschneidemaschine, um einzelne Anker aus einer Folie laminierten Materials auszuschneiden, das entsprechend den Fig. 3 bis 23 verarbeitet wurde;
Fig. 28 zeigt eine Aufsicht eines einzelnen Ankers, der wie in Fig. 27 ausgeschnitten ist;
Fig. 29 ist ein Schnitt längs der Linie 29-29 in Fig. 28;
Fig. 30 ist ein Schnitt längs der Linie 30-30 in Fig. 28;
Fig. 31 ist ein Schnitt längs der Linie 31-31 in Fig. 28;
Fig. 32 ist ein Schnitt längs der Linie 32-32 in Fig. 28;
Fig. 33 ist ein weiterer Schnitt durch das Laminat der Fig. 28;
Fig. 34 zeigt die vier leitenden Schaltkreismusterschichten des Laminats der Fig. 28, wobei die Substrate nicht gezeigt sind, um die Zwischenverbindungen zwischen den leitenden Schichten besser dasrzustellen;
Fig. 35 ist Fig. 34 ähnlich, jedoch sind eine oder mehrere der nicht leitenden Substrate in jedem Quadranten weggelassen, um die Beziehung der vier Schichten leitender Muster der Substratschichten zu zeigen;
Fig. 36 ist eine beispielsweise Teilschnittdarstellung der bekannten Anker der Fig. 1 und 2, die den unerwünscht größeren Luftspalt, der durch geschweißte Punktverbindungen zwischen den Schichten leitender Schaltkreismuster erforderlich ist;
Fig. 37 ist eine zeitliche Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Elektromotors mit dem Anker der Erfindung, hergestellt entsprechend der vorherigen Beschreibung;
Fig. 38 ist eine Teilschnittdarstellsung einer weiteren Ausführungsform, die die Bürsten an gegeneüberliegenden Seiten des Ankers der Erfindung zeigt;
Fig. 39 ist eine auseinandergezogene Teildarstellung, die den Anker der Erfindung, eine Tragwelle und einen Magnetring zeigt;
Fig. 40 ist ein Schnitt durch einen Motor, bei dem zwei der Anker, die die Konstruktion gemäß der Erfindung haben, auf einer gemeinsamen Welle sitzen;
Fig. 41 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Welle, der Anker und des stationären zentralen Magnetrings des Motors der Fig. 40;
Fig. 42 ist eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der zwei Anker jeweils unabhängig montiert und drehbar auf ihrer eigenen Welle vorhanden sind, um Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Ankern zu ermöglichen;
Fig. 43 ist eine auseinandergezogene Darstellung der Wellen, Anker und des stationären Magnetrings des Motors der Fig. 42;
Fig. 44 ist eine Schnittdarstellung durch einen der Anker und seine Welle im Motor der Fig. 42 und 43;
Fig. 45 ist eine Aufsicht einer Ausführungsform des Ankers der vorliegenden Erfindung, versehen mit Verstärkungsrippen.
Vor dem Beginn der Herstellung des scheibenförmigen Ankers gemäß der Erfindung werden das leitende Überzugsmaterial und das isolierende Substrat auf der Grundlage des beabsichtigten Endzwecks ausgewählt. Die vorgeschlagene PS, das Drehmoment, die Umdrehungen pro Minute und andere erforderliche Charakteristika werden festgelegt, und die Dicke und der Durchmesser des Ankers werden auf der Grundlage von Platzbedingungen bestimmt, um die Dicke des Substats und des Überzugsmaterials festzulegen.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird die isolierende Substratschicht 10 auf die inneren leitenden Überzugsmaterialschichten 12 und 14 unter Anwendung einer üblichen geeigneten Wahl von Wärme, Druck und Klebstoffschichten laminiert, wie es die verwendeten Materialien erfordern. Dann werden auf der Grundlage der oben erläuterten Kriterien die gewünschten Schaltkreismuster für die inneren leitenden Überzugsmaterialschichten auf Mastermaskierungsfolien vorbereitet, die zum Drucken verwendet werden sollen. Sie werden in üblicherweise von einem in geeigneter Weise programmierten Rechner entworfen, der auch so programmiert ist, daß er die Bohrmaschine antreibt, die an den richtigen Stellen die Durchgangsbohrungen bildet, um die richtigen elektrischen Verbindungen herzustellen
Sobald die laminierte Kombination eines Paars leitender Schichten und eines isolierenden Distanzelements hergestellt sind, und die Maskierung entworfen wurde, wäre es möglich, die Durchgangsbohrungen 48 für die Metallisierung an den durch das Maskierungsprogramm angegebenen Stellen für elektrisch verbindenden Bereiche der leitenden Schichten zu bohren, die auf gegenüberliegenden Seiten der Laminierung übereinstimmen, wie in Fig. 33 gezeigt ist (bezugnehmend auf die zweite Bohrung 48 vom rechten Ende der Zeichnung her). Um die elektrischen Verbindungen zu schaffen, wird die Laminierung dann in ein Bad eingetaucht, und eine mikrodünne Schicht eines Metalls wie Kupfer (durch übliches nicht galvanisches Plattieren) auf der Oberfläche und der Innenseite der Bohrungen 48 abgelagert, gefolgt von einem Elektroplattierungsvorgang.
Normalerweise sorgt gemäß der Erfindung das Rechnerprogramm dafür, daß die Bohr- und Metallisierungsschritte für die inneren leitenden Schichten zurückgestellt werden, bis die äußeren isolierenden und leitenden Schichten zugefügt sind, indem die äußeren leitenden Schichten 36 und 38 in der erforderlichen Weise versetzt werden1 um das Bohren außer dort zu vermeiden, wo elektrische Verbindungen erforderlich sind.
Ebenfalls gemäß der Erfindung sind die Maskierungsfolien 20 und 22 in Fig. 6 vorzugsweise viel größer als ein einzelner Anker (üblicherweise etwa 61 cm x 92 cm). Dies ermöglicht es, Mehrfacheinheiten der gewünschten Schaltkreis-Konf iguration 24 auf jeder der Masken herzustellen. Die Übereinstimmung geeigneter Bereiche jeder Maske für Durchgangsbohrungs-Verbindungen kann durch Bohrung 28 sichergestellt, die in üblicherweise durch einen konzentrischen Satz von Kreisen bzw. einem "Fadenkreuz"- Muster, wie es bei 26 gezeigt ist, anzuordnen.
Schichten 16 und 18 aus Photowiderstandsmaterial in flüssiger oder trockener Form werden aufgebracht, wie Fig. 5 zeigt. Die Maske 20 wird oben, und die komplementäre Maske 22 wird unten mit der isolierenden Schicht in der Mitte angeordnet. Wenn man Bohrungen zur Übereinstimmung verwendet, wie die Fig. 9 und 10 zeigen, wird jede Isolierungsschicht 10 etwas kürzer als der Abstand zwischen den beiden Bohrungen 28 bzw. genauso groß wie die Masken 20 und 22 gemacht, so daß sich die Bohrungen durch die isolierende Substratschicht erstrecken. Übereinstimmungsstifte 30 werden dann in die Bohrungen eingesetzt, um die Masken auszurichten und zu halten.
In jedem Falle wird die Anordnung mit UV-Licht belichtet, um die Bilder auf das Photowiderstandsmaterial zu drucken, wie Fig. 11 zeigt. Die Masken werden dann entfernt, und das gedruckte Bild wird unter Anwendung üblicher im Handel erhältlicher und für diesen Zweck entworfener Einrichtungen entwickelt.
Die unbelichteten Bereiche des entwickelten Photowiderstandsmaterials werden in einem geeigneten Lösungsmittel abgezogen, und das freigelegte Metall wird dann durch Äzen entfernt, wobei die Bereiche belassen werden, die Teil des Schaltkreismusters sein werden. Das innere Laminat hat nun auf gegenüberliegenden Seiten komplementäre elektrische Halbwindungs-Schaltkreismuster, die jeweils mit den ursprünglich auf den Masken 20 und 22 vorhandenen übereinstimmen.
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, können die leitenden Schaltkreismuster durch andere Maskierungsdrucktechniken aufgebracht werden, um die leitenden Bilder zu schaffen. Auch kann jede leidende Schicht individuell durch irgendeine geeignete Technik auf einer Isolierschicht gedruckt und haftend montiert werden, statt sie zu drucken, um die gewünschte Anzahl von paarweisen Schichten zu bilden.
Das Laminat der inneren leitenden Schichten, wie es teilweise Fig. 13 zeigt, ist dann für die Mehrschichtlamierung bereit, wie die Fig. 14 bis 16 zeigen. Ein äußeres isolierendes Distanzelement, wie es bei 32 und 36 gezeigt ist und eine Folie leitenden Überzugsmaterials, wie es bei 34 und 38 gezeigt ist, wird dann jeweils mit jedem der zuvor gedruckten elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismuster in Kontakt gebracht und Wärme und Druck werden angewandt (mit dazwischen angeordnetem Klebstoffmaterial, wenn erforderlich), und Wärme und Druck werden mit einer Hydraulik- oder Vakuum-Laminierungspresse aufgebracht, um die Schichten der Anordnung miteinander haftend zu verbinden und ein Mehrschichtlaminat zu bilden.
Das Mehrschichtlaminat kann nun gebohrt werden, um Durchgangsbohrungen 48 zur Metallisierung an Stellen der äußeren Maskierung zu bilden, die zur elektrischen Verbindung miteinander auf gegenüberliegenden Seiten übereinstimmen müssen, wie die Fig. 29 uind 33 zeigen oder mit dem komplementären Bereich des jeweiligen benachbarten zuvor gedruckten inneren elektrischen Schaltkreismusters, wie die Fig. 30, 32 und 33 zeigen. Wenn die Bohr- und Metallierungsschritte für die beiden zuvor gedruckten elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismuster zurückgestellt wurden, bis die äußeren isolierenden und leitenden Schichten hinzugefügt sind, muß das Bohren durch alle Isolierschichten, an denen die inneren Leiter 12 und 14 übereinstimmen, aber die äußeren Leiter 34 und 38 mit keinen von diesen übereinstimmen, wie Fig. 31 zeigt, ebenfalls durchgeführt werden.
Um elektrische Verbindungen durch die gebohrten Bohrungen zu schaffen, wird die Laminierung in ein Bad getaucht, und eine mikrodünne Schicht von Metall wie Kupfer wird (durch übliches stromloses Plattieren) auf der Oberfläche und der Innenseite der Bohrungen 48, gefolgt von einem Elektroplattierungsvorgang, aufgebracht. Ein Widerstandsbeschichtung kann aufgebracht werden, um zuerst nur den leitenden Bereich selektiv zu plattieren, oder die gesamte Oberfläche kann plattiert werden. Gewünschtenfalls kann eine abrieb- oder oxidfeste Metallbeschichtung danach mit einem üblichen Plattierungsvorgang aufgebracht werden.
Auf jeder Seite des plattierten Mehrschichtlaminats werden eine Schicht aus Photowiderstandsmaterial ( als 40 und 42 gezeigt) und eine Maske (als 44 und 46 gezeigt), die für UVLicht unbelichteten Bereiche entsprechend der und komplementäre Bereiche in Übereinstimmung mit und komplementäre Bereiche aufweisend in Übereinstimmung mit der benachbarten Schicht der zuvor gedruckten elektrischen Schaltkreismuster aufgebracht, wie die Fig. 17 bis 20 zeigen.
Nach dem Plattieren wird die Anordnung mit UV-Licht belichtet, um die Bilder auf das Photowiderstandsmaterial zu drucken, wie Fig. 20 zeigt. Die Masken werden dann entfernt und die gedruckten Bilder werden unter Anwendung üblicher Einrichtungen entwickelt. Die unbelichteten Bereiche des entwickelten Photowiderstandsmaterials werden dann in einem üäblichen Lösungsmittel abgezhogen und das freigelegte Metall wird dann durch Ätzen entfernt, so daß die Bereiche intakt belassen bleiben, die Teil des Schaltkreismusters sind. Das Mehrschichtlaminat hat nun auf gegenüberliegenden Seiten komplementäre elektrische Halbwindungs- Schaltkreismuster, die jeweils mit den ursprünglich auf den Masken 44 und 46 vorhandenen übereinstimmen, und die Teile eines einzelnen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreises sind.
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, können die leitenden Schaltkreismuster durch Siebdruck oder andere Maskierungsdrucktechniken aufgebracht werden, um die leitenden Bilder zu erzeugen. Auch kann jede leidende Schicht individuell durch irgendeine geeignete Technik auf eine isolierende Schicht aufgebracht und haftend montiert werden, statt gedruck tzu werden, um die gewünschte Anzahl paarweiser Schichten zu bilden.
Die vier verbundenen Schichten der leitenden Schaltkreismuster sind jeweils in den Fig. 34 und 35 mit A,B,C und D (von der Ober- zur Unterseite des Laminats) bezeichnet. Das fertige Mehrschichtlaminat der Fig. 22 wird manchmal als "Multilayer Board" oder "MLB" bezeichnet.
Eines der Hauptwartungsprobleme elektrischer Motoren ist der Austausch der Bürsten, die aus Widerstands-Kohlenstoffmaterial hergestellt werden, das mit dem Anker einen mechanischen Kontakt herstellt, um eine Leitung für die elektrische Energie zu schaffen. Um einen guten Kontakt sicherzustellen, wird die Bürste mit einer Feder gegen den Anker gedrückt, wie die Fig. 37 und 42 zeigen.
(In den Fig. 37 bis 44 sind die Motorbürsten allgemein mit 66 bezeichnet). Im Falle eines scheibenförmigen Ankers ist eine Nut zwischen den Leitern vorhanden, wo das Metall weggeätzt wurde und die Leiter haben scharfe Kanten (wie Fig. 23 zeigt). Wenn sich der Anker dreht, bewirkt der Federdruck, daß die Bürste gegen diese Kanten kratzt und Kohlenstoffpartikel von der Bürste verdrängt, die in der Nut zwischen den Leitern abgelagert werden. Da dort elektrischer Strom vorhanden ist, der durch die Leiter fließt, bilden diese Partikel einen Hochwiderstands-Kurzschlußkreis zwischen den Leitern, und die Bürsten müssen häufig ersetzt werden.
Anker, die gemäß der Erfindung hergestellt werden, können modifiziert werden, um die Leistung der Bürsten zu verbessern, indem in jedem der isolierenden Distanzelemente, auf das die beiden äußeren leitenden Schichten aufgebracht werden, eine Außenf lächenschicht aus Material eingebracht wird, das weicher als der Rest der isolierenden Distanzelemente ist. Z.B. kann die isolierende Schicht unmittelbar unter der äußeren leitenden Schicht eine höhere Konzentration nicht gehärteten Harzes an ihrer Oberfläche als im Inneren haben. Wenn die MLB in eine erhitzte Laminierungspresse eingebracht wird, erweicht die Wärme das ungehärtete Harz, und der Druck drückt das leitende Material 36 in die Harzschicht, wie Fig. 24 zeigt. Es ist möglich, die Eindringtiefe der Leiter durch Kontrolle der Mischung aus Harz und Druck zu steuern. Der so hergestellte Anker verursacht weniger Bürstenabnutzung wegen des niedrigeren Profils des Leitermusters.
Selbstverständlich kann die Leistung der Bürsten durch Einbau einer den Abrieb reduzierenden Schicht auf dem leitenden Überzugsmaterial verbessert werden. Z. B. kann ein Verbundmetall aus einer Schicht eines abriebreduzierenden Metalls wie Nickel über einem stärker leitenden Metall wie Kupfer als leitende Schicht verwendet werden. Alternativ kann eine Schicht aus abriebreduzierenden Metall über die leitende Schicht elektroplattiert werden, wie bereits erwähnt wurde. Einige niedrigschmelzende Legierungen wie Zinn-Blei können den Bürstenabrieb reduzieren, wenn der Plattierung mit der Legierung die Einwirkung durch eine in geeigneterweise hohe Temperatur durch Infraroterhitzung oder durch Erhitzung mit heißen Öl folgt. Dies bewirkt eine fließende Plattierung um die Bildung einer glatten gleichmäßigen Schicht mit einer Kuppe, die die scharfen Kanten der leitenden Schicht bedeckt. Die Fig. 25 und 26 zeigen die plattierte Oberfläche vor und nach der Erhitzung.
Wie oben angegeben, ist es erwünscht, Mehrfacheinheiten der Ankerlaminate in die MLB durch Ätzen oder Aufbringen einer bestimmten Anzahl von diskreten elektrischen Schaltkreismustern beabstandet auf der uzrsprünglichen Isolierschicht bzw. dem Substart und auf den äußeren Schichten der fertigen Anordnung aufzubringen. Das sich ergebende Mehrschichtlaminat wird in mehrere Kreise geschnitten, von denen jeder einen scheibenförmigen Anker umfaßt, wobei eine Plankpräge oder eine Vorlageschneidemaschine verwendet werden, wie Fig. 27 zeigt.
Bevor das Laminat geschnitten wird, ist es möglich, elektrische Tests an den einzelnen Schichten und eine optische Inspektion durchzuführen, um Fehler im Schaltkreis festzustellen. Dies ermöglicht eine frühe Beseitigung schadhafter Abschnitte.
Ein scheibenförmiger Anker gemäß der Erfindung kann direkt am Ende eine Welle 50 ohne eine komplizierte Konstruktion montiert werden, um die Kontrenzitität sicherzustellen, wie sie die Schaltkreislöststellen am Innendurchmesser der üblichen Ringanker der Fig. 1, 2 und 36 erfordern, die eine komplizierte Bearbeitung erfordern, um sie in einer Ebene senkrecht zur Welle zu montieren. Die. Fig. 37 bis 39 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung. Diese Verbindungen können durch Verwendung der plattierten Durchgangsbohrungen erreicht werden, die so positioniert sind, daß sie die Wellenanschlüsse nicht stören, um den Anker direkt am Ende der Welle oder einer Nabe zu montieren. Zusätzliche Bohrungen können in den zentralen Bereich längs der plattierten Durchgangsbohrungen gebohrt werden. Normalerweise, wenn die Bohrungen an mehreren Ankern in einer ungeschnittenen MLB gebohrt werden, stellt die Verwendung einer geeigneten Lehre eine übereinstimmende Montage aller Anker sicher.
Es kann erwünscht sein, nahe dem Umfang des Ankers kurze radiale Linien zu ätzen oder aufzubringen, um eine Lichtquelle zu reflektieren und als Tachometer zu wirken. Ein Paar LEDs, die auf dem Magneten 54 (Fig. 37) in einem Motor montiert sind, machen den Tachometer funktional. Um den optischen Kontrast zu erhöhen, ist es möglich, ein dunkles Pigmentsubstrat und/oder ein reflektierendes Metall auf die Tachmometerlinien 52 aufzubringen. Wenn beide äußeren Schichten Tachometerlinien 52 haben, ist es möglich, eine unterschiedliche Anzahl von Linien auf jeder Seite vorzusehen. Dies ermöglicht es, zwei unterschiedliche Tachometerdaten am gleichen Anker zu verwenden.
Wie die Fig. 40 und 41 zeigen, können zwei Anker gemäß der Erfindung auf einer Welle 56 mit einem sogenannten "Scheiben"-Magneten 58 in der Mitte montiert werden. Diese Anordnung erhöht das Drehmoment. Wie die Fig. 42 bis 44 zeigen, ist es möglich, wenn zwei Anker auf zwei Wellen 60 und 62 (auf einer gemeinsamen Mittellinie) montiert werden, zwei Motoren zu erhalten, die sich einen Magneten 64 teilen. In diesem Falle kann der gleiche Magnet zwei Motoren antreiben. Wenn z.B. die Dualplatteantriebe eines PCs wie in den Fig. 42 bis 44 konstruiert werden, dann ist es möglich, beide Einheiten gleichzeitig oder zu einem Zeitpunkt nur eine anzutreiben und ein sehr niedriges Profil zu erhalten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Ankers, bestehend aus der Verwendung einer Druckmaskierung, um auf beiden Seiten eines isolierenden Distanzelements (10) ein elektrisches Halbwindungs-Schaltkreismuster zu ätzen oder abzulagern und dadurch zwei leitende Schichten (12,14) auf dem isolierenden Distanzelement (10) zu bilden, und aus dem elektrischen Verbinden der leitenden Schichten durch eine metallisierte Bohrung (48), die sich durch die leitenden Schichten und das isolierende Distanzelement erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres isolierendes Distanzelement (32, 36) mit jeder der beiden leitenden Schichten (12,14) in Kontakt gebracht wird, und daß eine zusätzliche leitende Schicht, die mit dem benachbarten Bereich der zuvor gedruckten Schaltkreismuster übereinstimmende Bereiche aufweist, auf jedes der äußeren Distanzelemente durch Anwendung einer ähnlichen Markierung aufgebracht wird, um auf den äußeren isolierenden Distanzelementen komplementäre äußere elektrische Halbwindungs Schaltkreismuster zu ätzen oder abzulagern, daß die isolierenden äußeren Distanzelemente (32, 36) anhaftend auf die leitenden Schichten (34, 38) laminiert werden, um ein stabiles, einheitliches Mehrschichtlaminat zu bilden, und daß jedes der äußeren elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismuster mit dem benachbarten der zuvor gedruckten elektrischen Halbwindungs- Schaltkreismuster durch eine metallisierte Bohrung (48) verbunden wird, die sich durch die jeweiligen leitenden Schichten und das äußere isolierende Distanzelement erstreckt, um die vier gedruckten elektrischen Schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis zu verbinden.

2. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Ankers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenbau des einheitlichen Laminats die Schritte des Aufbringes des äußeren isolierenden Distanzeleinents (32, 36) und einer Folie aus leitendem Material, des Einschichtens von Klebstoff, der Anwendung von Wärme und Druck, um die Schichten der Anordnung miteinander zu verbinden, des Aufbringens auf jeder Seite des Mehrschichtmaterials einer Schicht Fotowiderstandsmaterials und einer Druckmaske, die für UV-Licht undurchlässige Bereiche entsprechend den und in Schaltkreis-Übereinstimmung mit den genannten elektrischen Schaltkreismustern hat, des Belichtens jeder Seite des Mehrschichtlaminats mit UV-Licht, des Entfernens der Masken (20, 22, 44, 46), des Waschens und Ätzens jeder Seite, und des Entfernens der Masken und des unbelichteten Fotwiderstnadsmaterials umfaßt.

3. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Ankers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem isolierenden Distanzelement (32,36), auf dem die beiden äußeren leitenden Schichten (34, 38) gedruckt sind, eine Außenflächenschicht aus Material, das weicher als das andere material der isolierenden Distanzelemente ist, aufgebracht wird, und daß beide leitenden Seiten des einheitlichen Mehrschichtlaminats mit Druck beaufschlagt werden, um wenigstens teilweise die vorstehenden äußeren elektrischen Schaltkreismuster in der weicheren Oberflächenschicht einzubetten.

4. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Ankers nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Anzahl von elektrischen Halbwindungs Schaltkreismustern beabstandet auf beiden Seiten des isolierenden Distanzelements geätzt oder abgelagert wird, die mit den anderen Komponenten des einheitlichen Mehrschichtlaminats und der Schicht Fotowiderstandsmaterials so dimensioniert werden, daß sie die gleiche Anzahl von scheibenförmigen Ankern umfassen, und daß die Schritte beim Zusammenbau des Mehrschichtlaminats das Aufbrigne einer Maske (20, 22, 44, 46) auf jeder Seite umfaßt, die die gleiche Anzahl von UV-Licht-undurchlässigen Bereichen entsprechend den und in Schaltkreisübereinstimmung mit den Halbwindungs- Schaltkreismustern hat, und daß nach Entfernen der Masken (20, 22, 44, 46) das Mehrschichtlaminat in mehrere Kreise geschnitten wird, von denen jeder einen scheibenförmigen Ankter umfaßt. miteinander zu verbinden, des Aufbringens auf jeder Seite des Mehrschichtmaterials einer Schicht Fotowiderstandsmaterials und einer Druckmaske, die für UV-Licht undurchlässige Bereiche entsprechend den und in Schaltkreis-Übereinstimmung mit den genannten elektrischen Schaltkreismustern hat, des Belichtens jeder Seite des Mehrschichtlaminats mit UV-Licht, des Entfernens der Masken (20, 22, 44, 46), des Waschens und Ätzens jeder Seite, und des Entfernens der Masken und des unbelichteten Fotwiderstnadsmaterials umfaßt.

4. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Ankers nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Anzahl von elektrischen Halbwindungs- Schaltkreismustern beabstandet auf beiden Seiten des isolierenden Distanzelements geätzt oder abgelagert wird, die mit den anderen Komponenten des einheitlichen Mehrschichtlaminats und der Schicht Fotowiderstandsmaterials so dimensioniert werden, daß sie die gleiche Anzahl von scheibenförmigen Ankern umfassen, und daß die Schritte beim Zusammenbau des Mehrschichtlaminats das Aufbrigne einer Maske (20, 22, 44, 46) auf jeder Seite umfaßt, die die gleiche Anzahl von UV-Licht-undurchlässigen Bereichen entsprechend den und in Schaltkreisübereinstimmung mit den Halbwindungs- Schaltkreismustern hat, und daß nach Entfernen der Masken (20, 22, 44, 46) das Mehrschichtlaminat in mehrere Kreise geschnitten wird, von denen jeder einen scheibenförmigen Ankter umfaßt.

5. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Ankers nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß kurze radiale Linien nahe dem Umfang des Ankers geätzt oder abgelagert werden, um eine Lichtquelle zu reflektieren und als Tachometer zu wirken.

6. Zur Verwendung in einem Elelektromotor geeignter cheibenförmiger Anker, bestehend aus zwei elektrischen Halbwindungs-Schaltkreismustern, die auf einem selbsttragendem, isolierendem Distanzstück (10) geätzt oder abgelagert und durch leitende Durchgangsbohrungs-Verbindungen (48) elektrisch verbunden sind, von denen jede durch das isolierende Distanzelement verläuft, um die gedruckten elektrischen Schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem stabilen Laminat besteht, das sich aus zwei oder mehr Paaren elektrischer Halbwindungs-Schaltkreismuster zusammensetzt, die auf drei oder mehr isolierende Distanzelemente (10), 32, 36) geätzt oder abgelagert und die durch leitende Durchgangsbohrungs-Verbindungen (48) elektrisch leitend verbunden sind, von denen jede durch ein isolierendes Distanzelement verläuft, um die gedruckten elektrischen Schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis zu verbinden.

7. Scheibenförmiger Anker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres elektrischen Halbwindungs- Schaltkreimuster auf einem äußeren isolierendem Distanzelement (32,36) geätzt oder abgelagert ist, das auf jede Seite des laminierten Paars leitender Schichten laminiert ist, und daß jedes der äußeren elektrischen Schaltkreismuster in komplementärer Übereinstimmung und durch leitende Durchgangsbohru ngs-Verbindungen (48) mit dem benachbarten der genannten, zuvor gedruckten elektrischen Halbwindungs- Schaltkreismuster mittels metallisierter Bohrungen elektrisch verbunden ist, die sich durch die jeweiligen leitenden Schichten (12,14) und das äußere isolierende Distanzelement (32,36) erstrecken und die vier gedruckten elektrischen schaltkreismuster zu einem einzigen kontinuierlichen elektrischen Schaltkreis verbinden.

8. Scheibenförmiger Anker nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Außenflächenschicht der isolierenden Distanzelemente (10, 32, 36) nahe den beiden äußeren Schichten (12,14) weicher als das der übrigen isolierenden Distanzelemente ist, und daß die vorstehenden äußeren elektrischen Schaltkreismuster wenigstens teilweise in der weicheren Oberflächenschicht eingebettet sind.

9 Scheibenförmiger Anker nach einem der Ansprüche 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der elektrischen Schaltkreismuster, die auf den isolierenden Distanzelementen (10, 32, 36) geätzt oder abgelagert sind, vom Umfang des den Anker bildenden Laminats entfernt sind.