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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung, wie eine numerische Steuerung o.ä., bei der
insbesondere die Außenabmessungen durch dichte Belegung verringert sind.
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Bei Steuervorrichtungen wie numerischen Steuerungen werden zahlreiche
Schaltungskomponenten und ein Mikroprozessor auf einer gedruckten Schaltungskarte angebracht,
wobei mehrere solche gedruckten Schaltungsplatten mit Schaltungskomponenten darauf in
ein Gestell eingesetzt und die Schaltungsplatten elektrisch rückwärts und mit Kabel
verbunden werden, um ein Steuersystem zu bilden.
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Fig. 5 zeigt eine gedruckte Schaltungsplatte mit darauf angeordneten
Schaltungskomponenten. Die Größe der Schaltungsplatte ist 310 auf 150 mm und viele
Schaltungskomponenten wie ein Mikroprozessor 2, eine integrierte Schaltung LSI 3, ein rückseitiger
Verbinder 4, DIP (Dual In-Line) logische integrierte Schaltungen 5, logische integrierte
Schaltungen 6 an der Oberseite, ein LSI 7 an der Oberseite, SIP (Single In-Line) hybride
integrierte Schaltungen 8 usw. sind auf der Platte befestigt.
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Schnittstellenverbinder 9 sind am Rand der Vorderseite der gedruckten Schaltungsplatte 1
befestigt, um Anschlüsse an externe Geräte herzustellen und elektrische Signale über ein
Kabel zuzuführen.
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Fig. 6 zeigt die schematische Anordnung einer bekannten Steuervorrichtung, bei der eine
Energieversorgung 62 und mehrere gedruckte Platten 63 der Steuerung in einem Gestell 61
untergebracht sind. Wie Fig. 5 zeigt sind zahlreiche Schaltungskomponenten auf jeder
gedruckten Schaltungsplatte angeordnet und die Schaltungsplatten werden rückseitig bei
64 über die rückseitigen Verbinder 4 miteinander verbunden.
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Auch wenn viele Schaltungskomponenten auf jeder Schaltungsplatte 17, hat man die Größe
der Schaltungskomponenten durch Verbesserungen der Flächenbefestigung verringert und
damit ist die Belegungsdichte der Komponenten erheblich vergrößert worden.
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Ein LSI-Baustein, wie Schaltelemente und eine Standardzelle können leicht mit LSI-
Technik hergestellt werden und so läßt sich ein konventionell aus einzelnen Komponenten
aufgebauter Schaltkreis in einem Chip herstellen.
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Die hybride integrierte Schaltung 8 wird konventionell zum Integrieren vieler flächiger
Komponenten, gedruckter Widerstandselemente und integrierter Schaltungen in Chipform
vor dem Formen benutzt. Insbesondere ist ein integriertes Paket vom SIP-Typ vorteilhaft,
weil es senkrecht auf einer gedruckten Schaltungsplatte befestigt werden kann und nur eine
sehr kleine Fläche auf der Platte besetzt, so daß solche Elemente vielerorts für
Steuervorrichtungen verwendet worden sind.
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Ferner sind die Außenabmessungen des Schnittstellenverbinders 9 dadurch verringert
worden, daß man die Kontaktabstände usw. verringert und so hat dies auch zu einer
Verkleinerung der Baugröße beigetragen, zusammen mit der Art der
Oberflächenbefestigung, der LSI integrierten Schaltungen und der hybriden integrierten Schaltungen.
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Eine Steuervorrichtung mit kleinen Abmessungen bietet dem Benutzer einen großen
Vorteil insofern, als der Raum zur Unterbringung verringert ist. Ferner werden im
allgemeinen die Kosten geringer und die Verarbeitungskapazität größer. Damit ist die
Verringerung der Baugröße ein effektives Verfahren hinsichtlich Kosten und Gebrauch.
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Ferner kann bei verringerter Baugröße der Steuervorrichtung der Abstand zwischen
mehreren Untersystemen verkürzt werden und damit auch die Zeit, die zur Übertragung der
Signale benötigt wird, um so weitere Verbesserungen zu erzielen.
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Wie erwähnt führt die Baugrößenverkleinerung zu verschiedenen Vorteilen. Trotzdem
schränkt die konventionelle Technologie eine weitere Verringerung der Baugröße von
Steuervorrichtungen ein, wie dies noch erläutert wird, so daß eine weitere Verkleinerung
der Abmessungen nicht möglich war.
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Ein erster Grund liegt darin, daß die gemischte Befestigung von niedrigen und hohen
Komponenten die Raumausnutzung verschlechtert.
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Allgemein kann man sagen, daß die Raumausnutzung besser wird, wenn das Verhältnis des
von Komponenten eingenommenen Raums und dem von der gedruckten Schaltungsplatte
eingenommenen Raum größer wird. Bei konventioneller Bauweise sind jedoch
Komponenten unterschiedlicher Höhen auf der gleichen Platte befestigt und so wird die genannte
Voraussetzung nicht erfüllt.
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Eine logische IC und Speicher IC haben beispieslweise eine Höhe von 2 bis 3 mm,
dagegen ein Schnittstellenverbinder eine Höhe von etwa 10 mm und ein Hybrid IC vom
SIL-Typ eine Höhe von 15 bis 30 mm. Die gedruckte Schaltungsplatte, die mit solchen
Komponenten unterschiedlicher Höhe belegt wird benötigt einen Raum, der vom höchsten
Baustein bestimmt ist und damit verringert sich die Raumausnutzung. Eine gedruckte
Schaltungsplatte wie eine Speicherplatte benötigt keine Schnittstelle zu externen Geräten
und ferner werden hybride ICs für gewöhnlich nicht in Kombination verwendet. So kann
für eine Speicherplatte eine dünne Platte mit verbesserter Raumausnutzung verwendet
werden, wenn man Speicher ICs auf der Gesamtfläche der gedruckten Schaltungsplatte
anbringt.
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Im Gegensatz zu einem Computer für den Bürobedarf führt eine Steuervorrichtung einen
Signalaustausch mit vielen externen Geräten zu verschiedenen Zwecken aus und benötigt
viele Schnittstellenverbindungen, wenn die Schnittstelle aus hybriden integrierten
Schaltungen besteht. Deshalb muß die gedruckte Schaltungsplatte für eine Vorrichtung mit
vielen hohen Komponenten versehen werden, mit dem Ergebnis, daß Verbesserungen
hinsichtlich der Raumausnutzung schwierig werden und sich deshalb die Baugröße nicht
ohne weiteres verkleinern läßt. Ein zweiter Grund liegt darin, daß die Steuervorrichtung
mit vielen Schnittstellenverbindungen für den Signalaustausch mit externen Geräten
versehen ist.
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Die gedruckte Schaltungsplatte der Steuervorrichtung ist auf alle Fälle mit einer
Steuerschaltung für bestimmte Funktionen versehen und auch mit einem Schnittstellenverbinder.
Hier ist es also wirtschaftlich, so viele Funktionen wie möglich, abhängig von der Fläche
der gedruckten Schaltungsplatte zu befestigen.
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Andererseits kann die Größe der Steuerschaltung durch Flächenbelegungstechnologie
verringert werden sowie LSI Technologie und hybride IC Technologie, wohingegen die
Größe des Schnittstellenverbinders nicht in gleicher Weise wie eine elektrische Schaltung
verkleinert werden kann, weil es sich um ein mechanisches Bauteil handelt. Ferner ist die
Anzahl der Verbinder an einer einzelnen gedruckten Schaltungsplatte beschränkt.
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Ungeachtet der Baugrößenverkleinerung der Steuerschaltung ist es so in vielen Fällen
schwierig, viele Funktionen auf einer einzelnen Schaltungsplatte zu vereinigen, weil die
Anzahl der Schnittstellenverbinder beschränkt ist.
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Ein dritter Grund liegt darin, daß eine flächige Befestigung für bestimmte gedruckte
Schaltungsplatten nicht ausgeführt werden kann.
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Um die Größe der Steuervorrichtung zu verringern, ist es wesentlich, so viele Bausteine
wie möglich auf einer einzelnen Platte zu befestigen und die Flächenbefestigungstechnik
ist in dieser Hinsicht sehr leistungsfähig.
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Trotzdem ist es schwierig, die gedruckte Schaltung mit allen Bausteinen durch
Flächenbefestigung zu belegen. Beispielsweise muß ein mechanischer Baustein, wie ein
Schnittstellenverbinder, an dem äußere Kräfte angreifen, eine höhere mechanische
Festigkeit aufweisen. Deshalb läßt sich die Flächenbefestigung nicht anwenden, weil sie keine
ausreichende Festigkeit liefert und damit muß der mechanische Baustein in konventioneller
Weise befestigt werden, d.h. es werden durch Öffnungen eingesteckte Drähte verlötet.
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Darüber hinaus erwärmen sich einige Halbleiterelemente für extrem schnelle Schaltungen
und Schnittstellen ziemlich stark und damit steigt insbesondere bei Flächenbefestigung die
Anschlußtemperatur, so daß sich die Zuverlässigkeit verringert, da die Flächenbefestigung
eine geringe Wärmeabfuhrfläche besitzt.
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So kann man bei solchen Elementen die Flächenbefestigung nicht verwenden und man
muß unausweichlich von einer konventionellen Einsetzmontage Gebrauch machen.
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Wie vorbeschrieben ist das Verfahren zum Herstellen einer gedruckten Schaltungsplatte
derart, daß mehrere auf der Oberfläche angebrachte Komponenten und eingesetzte
Komponenten vermischt auf der Platte angeordnet werden und ein Tauchlötverfahren in
einem Lötbad ausgeführt wird, wobei die zu verlötende Oberfläche in ein Tauchbad
eingebracht wird, zusätzlich zur Oberflächenbefestigung.
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Werden Bausteine auf beiden Seiten der gedruckten Schaltungsplatte befestigt, so läßt sich
die Belegungsdichte wesentlich vergrößern und damit werden logische ICs und Speicher
ICs vorzugsweise auf beiden Gesamtflächen der Platte angebracht. Bausteine mit
Oberflächenbefestigung, die den Tauchprozeß aushalten, sind auf bestimmte Bausteine wie
Chipwiderstände und Chipkondensatoren beschränkt und so ist es praktisch schwierig, alle
Bausteine an der Oberfläche zu befestigen und beide Seiten der gedruckten
Schaltungsplatte zum Montieren dieser Bausteine zu benutzen.
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US-A-4,771,366 zeigt eine Grundplatine für einen Computer, bei dem Schaltungskarten
mit angebrachten Speicherpaketen an der Grundplatine befestigt sind, wobei Modulplatten
mit Schaltungskomponenten vorgesehen sind und die Modulplatten auf den gedruckten
Schaltungsplatten derart angebracht sind, daß die Befestigungsfläche jeder Modulplatte
rechtwinklig zur Befestigungsfläche der gedruckten Schaltungsplatten verläuft.
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In Anbetracht des Vorstehenden ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung
mit Schaltungskomponenten zu schaffen, die eine verbesserte Belegungsdichte und
verringerte Außenabmessungen aufweist.
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Erfindungsgemäß ist eine Steuervorrichtung mit mehreren gedruckten Schaltungsplatten
vorgesehen, gekennzeichnet durch längliche Eingangs-/Ausgangs-Schnittstellenverbinder,
die auf den gedruckten Schaltungsplatten derart befestigt sind, daß deren Längsrichtung
rechtwinklig zur Befestigungsfläche der gedruckten Schaltungsplatten verläuft, wobei die
Höhe der Modulplatten über den gedruckten Schaltungsplatten im wesentlichen gleich der
Höhe der Schnittstellenverbinder über der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatten ist.
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Viele Schnittstellenverbinder können mit einer solchen Anordnung auf der Vorderseite der
gedruckten Schaltungsplatte angebracht werden, so daß jeder Eingangs-/Ausgangs-
Schnittstellenverbinder auf der gedruckten Schaltungsplatte so befestigt ist, daß deren
Längsrichtung rechtwinklig zur Befestigungsfläche der gedruckten Schaltungsplatte
verläuft und damit können viele Schaltungskomponenten zum Verarbeiten von
Eingangs- und Ausgangssignalen auf einer einzelnen gedruckten Schaltungsplatte angebracht werden.
Die Schaltungskomponenten werden auf der Modulplatte angebracht, die wiederum an der
gedruckten Schaltungsplatte derart befestigt ist, daß deren Belegungsfläche rechtwinklig
zur Belegungsfläche der gedruckten Schaltungsplatte verläuft und mit dieser Anordnung
viele Modulplatten auf einer einzelnen gedruckten Schaltungsplatte befestigt werden
können. Die Höhe der Modulplatte über der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatte ist
im wesentlichen gleich der Höhe des Schnittstellenverbinders über der gedruckten
Schaltungsplatte. Mit dieser Anordnung wird die Anzahl der Schaltungskomponenten je
Raumeinheit vergrößert und damit insgesamt die Größe der Steuervorrichtung verkleinert.
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Die Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 eine Ansicht einer gedruckten Schaltungsplatte für eine numerische
Steuerung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
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Fig. 2 eine Darstellung einer Modulplatte der Fig. 1,
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Fig. 3 eine Darstellung der Befestigung von Schnittstellenverbindern im
vergrößerten Maßstab,
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Fig. 4 eine Außenansicht einer Steuervorrichtung mit gedruckten
Schaltungsplatten der Fig. 1,
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Fig. 5 eine Ansicht einer gedruckten Schaltungsplatte mit konventionell belegten
Schaltungskomponeten, und
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Fig. 6 eine Ansicht einer bekannten Steuervorrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert. Die
gedruckte Schaltungsplatte der Fig. 1 besitzt eine Größe von 310 auf 150 mm.
Schaltungskomponenten wie ein Mikroprozessor 2, ein LSI 3, ein rückseitiger Verbinder 4,
oberflächenbefestigte logische integrierte Schaltungen 6, Hybridschaltungen 8 vom SIP-Typ
usw. sind auf der gedruckten Schaltungsplatte 1 befestigt und mehrere Modulplatten 10
sind an der Platte 1 über Modulsockel (nicht dargestellt) angeordnet, die auf der Oberseite
dieser Schaltungskomponenten liegen. Einsteckbefestigungskomponenten wie ein
Taktgenerator, ein Standard-TTL usw. sind auf diesen Modulplatten 10 befestigt.
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Fig. 2 zeigt eine Modulplatte 10 mit einer Breite von 100 mm und einer Höhe von 40 mm,
wobei auf beiden Seiten Komponenten 11, 12, 13 und 14 oberflächenbefestigt sind. Die
Modulplatte 10 ist derart befestigt, daß die Belegungsfläche rechtwinklig zur
Belegungsfläche der gedruckten Schaltungsplatte 1 verläuft.
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Ein Streifen für einen Randverbinder mit 78 Pins ist in Längsrichtung am Rand der
Modulplatte 10 ausgebildet. Das Einstecken dieses Teils der Modulplatte 10 in einen
Modulsockel auf der gedruckten Schaltungsplatte 1 vermittelt die mechanische und
elektrische Verbindung der Modulplatte 10 mit der Schaltungsplatte 1, und eine
Signalverbindung zwischen mehreren Modulplatten 10 und Signalverbindungen zwischen der
Modulplatte 10 und dem Schnittstellenverbinder 9 erfolgt durch gedruckte Leiter, die auf
der Grundplatine der Schaltungsplatte 1 vorgesehen sind.
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Eine in der vorgeschriebenen Weise ausgeführte konventionelle Modulplatte besitzt nur
darauf befestigte Speicher, wie dies bei einem DRAM Modul der Fall ist, doch wenn ein
Halbleiterhersteller mehrere auf einer einzelnen Modulplatte zusammengebaute und
befestigte integrierte Schaltungen anbieten will, so ist es eine wesentliche Vorbedingung
für eine ausreichende Nachfrage nach solchen Modulen, daß das Modul auch zu
allgemeinen Zwecken verwendet werden kann. Diese Vorbedingung kann nur mit einem
Speichermodul erfüllt werden, auch wenn die integrierten Schaltungen als Modul
angeordnet sind und deshalb hat das Modul keine zufriedenstellenden Eigenschaften für
allgemeine Anwendung, was die Nachfrage steigern würde, auch wenn auch andere
Schaltungen als ein Speicher in Modulbauweise angeboten werden.
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Im Gegensatz hierzu zielt die Erfindung nicht darauf ab, dem Modul Eigenschaften für
allgemeine Zwecke zu verleihen, vielmehr zielt sie darauf ab, beide Seiten der Modulplatte
wirksam zu nutzen und ferner den Belegungsraum der gedruckten Schaltungsplatte als
Modul wirksam zu nutzen.
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So liegt ein erstes Merkmal der Erfindung darin, daß die folgenden Funktionen
einschließlich eines Speichers als Module vorgesehen sind und diese Module rechtwinklig auf
die Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatte 1 montiert werden.
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Die auf der Modulplatte befestigten Schaltungskomponenten müssen so angeordnet sein,
daß sie die Bedingung erfüllen, daß die Anzahl der Signalverbindungen mindestens eine
bestimmte Anzahl erreicht. Genauer gesagt wurde eine Funktion in konventioneller Weise
mit einer einzelnen gedruckten Schaltungsplatte realisiert, doch ist die erfindungsgemäße
Ausführungsform so beschaffen, daß diese eine Funktion von mehreren Modulplatten
realisiert wird und damit darf die Anzahl der Signalleitungen, die von der Modulplatte
abgehen, die Anzahl der Kontaktstellen an der Modulplatte nicht überschreiten. Somit ist
vorzugsweise jedes Modul schematisch in der nachstehend beschriebenen Weise
aufgenbaut. Ein erstes Modul weist eine Schaltung zum Einschalten der spannung auf, sowie
eine Zeitgeberschaltung, eine Unterbrecherschaltung und einen batteriegestützten Speicher
in Modulbauweise; ein zweites Modul besitzt ESRAMs und eine Paritätsprüfschaltung in
Modulbauweise; ein drittes Modul beinhaltet EPROMs in Modulbauweise; ein viertes
Modul besitzt eine Kommunikationssteuerung, eine Treiber/Empfängerschaltung, einen
manuellen Impulsgenerator und eine Schnittstelle in Modulbauweise; ein fünftes Modul
besitzt eine CRT Anzeigesteuerung in Modulbauweise. Ein sechstes Modul weist eine
digitale Servosteuerschaltung bestehend aus einem Prozessor, einem Speicher, LSIs für die
Steuerung usw. in Modulbauweise auf; ein siebtes Modul besitzt eine
Schnittstellenmodulbauweise für einen Spindelverstärker und ein achtes Modul eine
Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle und eine Abfolgesteuerung in Modulbauweise.
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Ein zweites Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der Schnittstellenverbinder 9 derart
angeordnet ist, daß seine Längsrichtung rechtwinklig zur Oberseite der gedruckten
Schaltungsplatte 1 verläuft.
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Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung wie der Schnittstellenverbinder der Fig. 1 befestigt
ist, nämlich sitzt er in seiner Längsrichtung rechtwinklig zur Oberfläche der Platte 1.
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Fig. 5 zeigt einen konventionellen Schnittstellenverbinder, dessen Längsrichtung parallel
zur Oberfläche der Platte verläuft und deshalb ist die Anzahl der Schnittstellenverbinder
am vorderen Rand einer einzelnen Platte auf sechs Einheiten beschränkt und damit ist auch
die Anzahl der zu befestigenden Module beschränkt. Unabhängig davon, wie viele Module
auf einer einzelnen Platte Platz finden.
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Demgegenüber ist erfindungsgemäß durch die rechtwinklige Befestigung der
Schnittstellenverbinder 9 die nötige Länge für die Anordnung der Verbinder 9 an der Vorderseite
der Platte 1 verringert, so daß eine wesentlich größere Anzahl von Verbindern 9 Platz
findet (etwa 20 Einheiten oder mehr).
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Daraus folgt, daß für Funktionen, die viele Verbinder erfordern, die Anzahl der gedruckten
Schaltungsplatten mit Rücksicht auf die unterzubringenden Schnittstellenverbinder nicht
vergrößert werden muß, wie dies bisher der Fall war. Für Funktionen, die viele
Schnittstellenverbinder erfordern, aber andererseits mit weniger Schaltungskomponenten belegt
sind, so wurden diese bisher stets auf einem Teil der Plattenoberfläche untergebracht und
die Restfläche blieb leer. In diesem Fall läßt sich die Platzverschwendung auf der Platte
vermeiden, wenn Funktionen, die keine Schnittstellenverbinder benötigen, auf der gleichen
Platte unterbringt.
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Wie bereits erwähnt, ist es bei einer Steuervorrichtung Tatsache, daß eine größere Zahl von
Schaltungskomponenten Schnittstellenverbinder benötigt, um die Verbindung zu externen
Geräten herzustellen, und weniger Schaltungskomponenten den Schnittstellenkonnektor
erfordern, wohingegen erfindungsgemäß andere Funktionen, welche
Schnittstellenverbinder benötigen, auf der gleichen gedruckten Schaltungsplatte untergebracht werden
können, da beim Gegenstand der Erfindung eine große Anzahl von
Schnittstellenverbindern vorhanden ist und so ist kein Platz auf der Plattenoberfläche verschwendet.
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Figur 4 zeigt die Außenansicht der Steuervorrichtung, die von der gedruckten
Schaltungsplatte der Fig. 1 Gebrauch macht. Eine Spannungsversorgung 42 und mehrere
gedruckte Schaltungsplatten 43 sind in einem Gestell 41 untergebracht. Fig. 1 zeigt, daß
die Schaltungsplatte 43 mit mehreren Schaltungskomponenten versehen ist und die
Verbindung erfolgt rückseitig.
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Wie Fig. 1 zeigt, sind an jeder Schaltungsplatte viele Schaltungskomponenten befestigt, so
daß die Belegungsdichte gegenüber bekannten Platten wesentlich vergrößert ist. Deshalb
kann die von den Komponenten erzeugte Wärme nicht außer acht gelassen werden.
Deshalb ist in dem Ausführungsbeispiel ein Gebläse 44 im obersten Teil des Gestells 41
vorgesehen, um die Schaltungskomponenten an der Platte 1 zu kühlen. Damit läßt sich das
Problem der Wärmeentwicklung lösen, das von der hohen Belegungsdichte her rührt.
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Wenn auch in der beschriebenen Weise verschiedene Funktionen in bekannter Weise
horizontal auf einer relativ großen Schaltungsplatte untergebracht waren, werden
erfindungsgemäß die verschiedenen Funktionen bis zu einem gewissen Grad klassifiziert
und die klassifizierten Funktionen werden in Modulen angeordnet, die nicht horizontal,
sondern vielmehr vertikal befestigt werden. Da damit die Komponenten auch auf beiden
Seiten der Modulplatte untergebracht werden können, ist die Belegungsdichte gegenüber
der bekannten flachen Bauweise erhöht.
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Da außerdem doppelt so viele Schnittstellenverbinder wie bisher an der Vorderkante der
gedruckten Schaltungsplatte befestigt werden können, ist die Anzahl der vorzusehenden
Schnittstellenverbinder wesentlich höher und damit auch die Anzahl der Funktionen, die
auf einer einzelnen gedruckten Schaltungsplatte untergebracht werden können, so daß
insgesamt eine höhere Schaltungsdichte durch diese Modulbauweise erzielt wird. Da
darüber hinaus die Modulplatte und die Schnittstellenverbinder im wesentlichen die gleiche
Höhe besitzen, ist jede Platzverschwendung vermieden und der Volumenbedarf der
erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist etwa halb so groß wie bei einer konventionellen
Anordnung.
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Erfindungsgemäß besitzen also die auf einer gedruckten Schaltungsplatte angeordneten
Komponenten die gleiche Höhe und dies vergrößert die Belegungsdichte und verringert
den Platzbedarf der Steuervorrichtung.