EP2780985A1 - Verbindungselement - Google Patents

Verbindungselement

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EP2780985A1 EP12784457.9A EP12784457A EP2780985A1 EP 2780985 A1 EP2780985 A1 EP 2780985A1 EP 12784457 A EP12784457 A EP 12784457A EP 2780985 A1 EP2780985 A1 EP 2780985A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verbindungselement zum elektrisch leitenden Verbinden von zwei Bauteilen mit einem (ersten) Leiter (7), welcher einen rohrförmigen Mantel umfasst, der mindestens eine Öffnung (8) zur Reduzierung der axialen Steifigkeit aufweist.

Description

Verbindungselement
Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrisch leitenden Verbinden von zwei Bauteilen und insbesondere ein Verbindungselement, mit dem Hochfrequenz-Signale zwischen zwei Bauteilen und insbesondere Platinen möglichst verlustfrei übertragen werden können.
Bei derartigen Verbindungselementen ist erforderlich, dass diese eine möglichst verlustfreie Übertragung der Hochfrequenz-Signale auch in einem definierten Toleranzbereich bezüglich der Parallelität sowie des Abstands der beiden Platinen zueinander sicherstellen. Weitere Anforderungen an solche Verbindungselemente liegen in einer kostengünstigen Herstellung sowie einer einfachen Montage. Zudem sollen die axialen und radialen Abmessungen des Verbindungselements möglichst klein gehalten werden.
Zum Einsatz kommen derzeit hauptsächlich zwei Ausführungsformen derartiger Verbindungselemente.
Zum einen wird eine Verbindung zwischen zwei Platinen mittels zwei, mit den Platinen fest verbundenen Koaxialsteckverbindern sowie einem die beiden Koaxialsteckverbinder verbindenden Adapter, dem sogenannten „Bullet", hergestellt. Dieser Adapter ermöglicht einen axialen und radialen Toleranzausgleich, sowie den Ausgleich von Parallelitätstoleranzen. Typische hierfür eingesetzte Koaxialsteckverbinder sind SMP, Mini-SMP oder FMC. Alternativ werden elektrische Verbindungen zwischen zwei Platinen auch über Federkontaktstifte, sogenannte„Pogopins", in Einzelleiter- und/oder Mehrfachleiteraufbau realisiert. Derartige Federkontaktstifte umfassen eine Hülse und einen teilweise innerhalb der Hülse geführten Kopf sowie eine Schraubenfeder, die sich zwischen dem Kopf und der Hülse abstützt. Die für die Schraubenfeder geforderten Eigenschaften bezüglich Federkraft und Blocklänge erfordern relativ große Federlängen, die sich entsprechend nachteilig auf die axiale Bauhöhe der Federkontaktstifte auswirken. Die Verwendung von Federkontaktstiften im Einzelleiteraufbau weist zudem den Nachteil auf, dass diese in einem bestimmten Muster als Signal- und Ground- pins angeordnet sein müssen, um eine befriedigende elektrische Leistung zu erzielen. Mehrfachleiter sind dagegen aufgrund ihres komplizierten Aufbaus fehleranfällig und teuer. Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verbindungselement zum elektrischen Verbinden von zwei Bauteilen anzugeben. Insbesondere sollte sich das Verbindungselement trotz Toleranzen ausgleichender Eigenschaften durch eine kostengünstige Herstellung, einen einfachen und somit fehlerunanfälligen Aufbau und/oder eine einfache Montage aus- zeichnen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbindungselements sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die elektrische Verbindung zwischen zwei Bauteilen mittels eines möglichst einfach aufgebauten, vorzugsweise einteiligen Leiters zu realisieren und einen Ausgleich von Lagetoleranzen der beiden zu verbindenden Bauteile durch eine Deformation dieses Leiters aufgrund seiner strukturellen Ausgestaltung zu realisieren.
Hierfür wird erfindungsgemäß ein Leiter verwendet, der einen rohrförmigen Mantel umfasst, der mindestens eine Öffnung zur Reduzierung der axialen Steifigkeit des Mantels aufweist. Dabei ist die axiale Steifigkeit des Mantels so gering, dass die bei der Montage der zwei Bauteile auftretenden Kräfte eine insbesondere infolge von Lagetoleranzen dieser beiden Bauteile erforderliche Deformation des Mantels in axialer Richtung bewirken.
Eine einfache, kostengünstige und wirkungsvolle Möglichkeit, die axiale Steifigkeit des rohrförmigen Mantels zu reduzieren liegt darin, in diesen (zumindest) eine spiralförmig verlaufende Öffnung zu integrieren. Unter einem„spiralförmigen Verlauf wird erfindungsgemäß ein Verlauf der Öffnung (bezogen auf den Anfangs- und Endpunkt der Öffnung) verstanden, der sich sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung des Mantels erstreckt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines solchen erfindungsgemäßen Ver- bindungselements kann vorsehen, dass zumindest zwei solcher spiralförmig verlaufenden Öffnungen vorgesehen sind, die ausgehend von den beiden Enden des Mantels aufeinander zu verlaufen. Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass jede dieser zumindest zwei spiralförmig verlaufenden Öffnungen sich lediglich über maximal die halbe axiale Länge des Mantels erstreckt und diese sich nicht durch- dringen.
Besonders bevorzugt können eine Vielzahl von vorzugsweise parallel und/oder spiralförmig verlaufenden Öffnungen vorgesehen sein. Dabei können insbesondere eine erste Gruppe spiralförmig verlaufender Öffnungen und eine zweite Gruppe spiral- förmig verlaufender Öffnungen vorgesehen sein, wobei die Öffnungen der beiden Gruppen ausgehend von den beiden Enden des Mantels aufeinander zu verlaufen. Eine solche Ausgestaltung weist den wesentlichen Vorteil auf, dass eine axiale Deformation des Leiters, die bei einer spiralförmig verlaufenden Öffnung zu einer Relativrotation der von der spiralförmigen Öffnung getrennten Abschnitte des Mantels führen will, auf einen Bereich des Mantels reduziert werden kann, der zwischen den beiden (Gruppen) aufeinander zu verlaufenden spiralförmigen Öffnungen angeordnet ist. Dadurch kann somit sichergestellt werden, dass die beiden Enden des Mantels, die für einen Kontakt mit den beiden Bauteilen vorgesehen sind, weitgehend frei von durch die axiale Deformation bedingten Torsionsbelastungen bleiben. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungselements ist vorgesehen, dass der Mantel an (zumindest) einem Ende mit schräg bezüglich der Längsachse des Mantels verlaufenden Federlaschen (bezogen auf die Verbindungslinie zwischen Anfangs- und Endpunkt der jeweiligen Federlasche) ausgebildet ist. Über diese Federlaschen kann in vorteilhafter Weise ein Ausgleich von Toleranzen bezüglich der Parallelität der zwei miteinander zu verbindenden Flächen der Bauteile erfolgen. Auch ermöglichen solche Federlaschen zumindest in Grenzen einen gewissen Lageausgleich bezüglich der beiden Bauteile in axialer und radialer Richtung (bezogen auf den Mantel des Leiters).
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform weist der Mantel an zumindest einem Ende eine Auflagefläche auf, die größer als die Querschnittsfläche der Mantelwand ist. Eine solche vergrößerte Auflagefläche vereinfacht die Herstellung einer betriebssicheren Verbindung mit dem oder den Bauteilen.
Eine kostengünstige Möglichkeit zur Ausgestaltung einer solchen vergrößerten Auflagefläche kann vorsehen, diese als (vorzugsweise um 90°) abgekantetes Ende des Mantels auszubilden.
Um ein besonders gutes Übertragungsverhalten von insbesondere Hochfrequenz- Signalen über den durch eine oder eine Vielzahl von Öffnungen gekennzeichneten Leiter sicherzustellen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass dieser Leiter mit einem zweiten Leiter in einem elektrisch leitenden und (zumindest bezüglich eines Abschnitts des ersten Leiters) beweglichen Kontakt steht. Dieser Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter kann insbesondere in demjenigen Abschnitt des ersten Leiters vorgesehen sein, in dem die Öffnungen in dessen Mantel eingebracht sind. Der zweite Leiter unterstützt somit den ersten Leiter bei der Übertragung von elektrischer Energie bzw. Signalen und insbesondere Hochfrequenz-Signalen, wo- bei durch die zumindest teilweise axiale Beweglichkeit weiterhin die erfindungsgemäße Deformation des ersten Leiters mit dem Ziel eines Lagetoleranzausgleichs der beiden Bauteile gewährleistet ist.
Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass der zweite Leiter einen geschlos- senen rohrförmigen Mantel aufweist, um eine gute Übertragung von insbesondere Hochfrequenz-Signalen zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbindungsele- ments ist vorgesehen, dass der/die Leiter als Außenleiter eines Koaxial- Verbindungselements vorgesehen sind, die somit einen weiteren Leiter (Innenleiter) umgeben. Dieser Innenleiter kann vorzugsweise in bekannter Form als Federkontaktstift ausgebildet sein, somit eine Hülse, einen teilweise innerhalb der Hülse geführten Kolben sowie ein Federelement, das sich zwischen dem Kolben und der Hülse abstützt, umfassen. Derartige Federkontaktstifte zeichnen sich durch ein gutes Übertragungsverhalten für insbesondere Hochfrequenz-Signale und ebenfalls durch eine Unempfindlichkeit gegenüber Lagetoleranzen der miteinander zu verbindenden Bauteile aus. Toleranzen bezüglich des Abstandes der beiden Bauteile zueinander werden nämlich durch die Möglichkeit einer Verschiebung des Kolbens in der Hülse ausgeglichen. Das Federelement sorgt dabei für eine hinreichende Anpresskraft des Kolbens an das angrenzende Bauteil.
Vorzugsweise ist zwischen dem Außenleiter und dem Innenleiter ein Isolierelement angeordnet. Dieses kann - um eine gut handhabbare Einheit zu erhalten - vor- zugsweise mit dem Innenleiter und zumindest einem Abschnitt des Außenleiters fest verbunden sein. Dabei besteht auch die Möglichkeit, das Isolierelement vollständig mit dem Außenleiter fest zu verbinden, sofern dieses einen relativ geringen Elastizitätsmodul aufweist und somit die erfindungsgemäß vorgesehene axiale Deformation des Außenleiters nicht oder nur unwesentlich behindert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 : ein erfindungsgemäßes Verbindungselement in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht; und
Fig. 2 und 3: das Verbindungselement gemäß Fig. 1 in Kombination mit zwei elektrisch miteinander zu verbindenden Platinen. Das in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Verbindungselement umfasst einen Innenleiter 1 , einen Außenleiter 2 sowie ein zwischen dem Innenleiter 1 und dem Außenleiter 2 angeordnetes Isolationselement 3. Der Innenleiter 1 ist in Form eines herkömmlichen Federkontaktstifts ausgebildet, d.h. dieser umfasst eine Hülse 4 sowie einen teilweise innerhalb der Hülse beweglich geführten Kolben mit einer Kolbenstange 5 sowie einem Kopf 6 mit sphärischer Kontaktfläche. Innerhalb der Hülse 4 ist eine (nicht dargestellte) Schraubenfeder angeordnet, die sich zwischen dem Kolben und dem Boden der Hülse 4 abstützt. Der Außenleiter 2 umfasst einen ersten Leiter 7 mit einem rohrförmigen Mantel, in den eine Vielzahl von spiralförmig verlaufenden Öffnungen 8 eingebracht ist. Diese spiralförmigen Öffnungen 8 sind in zwei Gruppen unterteilt, von denen sich eine ausgehend von dem in der Fig. 1 oben dargestellten Ende bis kurz vor die (axiale) Mitte des Mantels erstreckt. Die zweite Gruppe startet ausgehend von dem in der Fig. 1 unten dargestellten Ende und erstreckt sich ebenfalls bis kurz vor die (axiale) Mitte des Mantels. Die spiralförmigen Öffnungen 8 weisen einen diagonal verlaufenden Teil sowie axial verlaufende Endabschnitte auf. Sämtliche Abschnitte der spiralförmigen Öffnungen 8 einer Gruppe verlaufen parallel zueinander. Das in der Fig. 1 unten dargestellte Ende des Mantels ist um 90° abgekantet, so dass eine Auflagefläche ausgebildet wird, die größer als die Querschnittsfläche der Mantelwand ist. Das in der Fig. 1 oben dargestellte Ende des Mantels wird von einer Vielzahl von Federlaschen 9 begrenzt, die radial nach außen zeigend, (um 90°) gekrümmt verlaufend ausgebildet sind. Die freien Endabschnitte der Federlaschen 9 bilden eine Auflageebene aus.
Der Außenleiter 2 umfasst neben dem ersten Leiter 7 einen zweiten Leiter 10, der ebenfalls rohrförmig ausgebildet ist, die gleiche Länge wie das Isolationselement 3 aufweist und mit diesem fest verbunden (z.B. verklebt) ist. Der Mantel des zweiten Leiters 10 ist geschlossen und weist somit keine Öffnungen auf. Eine feste Verbindung zwischen dem ersten Leiter 7 sowie dem zweiten Leiter 10 ist in dem Abschnitt zwischen dem in der Fig. 1 unten dargestellten Ende und dem Beginn der Öffnungen 8 in dem Mantel des ersten Leiters 7 vorgesehen. Dadurch sind alle Bauteile des Verbindungselements fest miteinander verbunden, wobei dennoch eine Relativ- bewegung des in der Fig. 1 oben dargestellten Teils des ersten Leiters 7 relativ zu dem zweiten Leiter 10 möglich ist.
Um zwei Platinen zur Übertragung von Hochfrequenz-Signalen mittels des erfin- dungsgemäßen Verbindungselements zu verbinden, wird zunächst das Verbindungselement mit dem abgekanteten unteren Ende fest mit einer ersten Platine 1 1 verbunden (vgl. Fig. 2). Daraufhin wird die zweite Platine 12 montiert, die dadurch mit einer definierten Anpresskraft gegen das obere Ende des Verbindungselements drückt (vgl. Fig. 3). Diese Anpresskraft kann infolge von Lagetoleranzen der beiden Platinen 1 1 , 12 variieren. Das Andrücken der zweiten Platine 12 gegen das Verbindungselement bewirkt zum einen ein Verschieben des Kolbens des Innenleiters 1 gegen die Kraft der Schraubenfeder. Die so erzeugte Federvorspannung sorgt für einen sicheren Kontakt des Kopfs 6 des Innenleiters 1 mit der entsprechenden Kontaktstelle auf der Platine 12.
Weiterhin sorgt das Andrücken der oberen Platine 2 für eine zumindest geringe Deformation der elastisch auslenkbaren Federlaschen 9. Dies ergibt sich bereits dadurch, da die Gesamtlänge des ersten Leiters 7 des Außenleiters 2 so bemessen ist, dass diese geringfügig größer als der maximale, von den Toleranzen zugelasse- ne Abstand zwischen den beiden Platinen 1 1 , 12 ist. Obwohl die Federlaschen 9 auch einen Toleranzausgleich hinsichtlich des Abstands der beiden Platinen voneinander zulassen, liegt deren Aufgabe insbesondere in einem Ausgleich von Toleranzen hinsichtlich der Parallelität der Kontaktflächen der miteinander zu verbindenden Platinen 1 1 , 12.
Für einen Toleranzausgleich hinsichtlich des Abstands der beiden Platinen 1 1 , 12 voneinander ist insbesondere die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mantels des ersten Leiters 7 verantwortlich. Durch die spiralförmig verlaufenden Öffnungen 8 in dem Mantel ist dessen axiale Steifigkeit so gering, dass dieser zwischen den bei- den Platinen 1 1 , 2 so weit wie erforderlich deformiert wird. Dabei weist die konkrete Anordnung der spiralförmigen Öffnungen in zwei aufeinander zu verlaufenden Gruppen den Vorteil auf, dass die axiale Deformation des ersten Leiters 7 lediglich zu einer Rotation des die beiden Gruppen der Öffnungen 8 voneinander trennenden Mittelbereichs des Mantels führt (vgl. Fig. 3). Dadurch kann erreicht werden, dass die Verbindungsstellen des ersten Leiter 7 mit den beiden Platinen 11 , 12 im Wesentlichen frei von Torsionskräften bleiben.

Claims

Ansprüche:
Verbindungselement zum elektrisch leitenden Verbinden von zwei Bauteilen mit einem (ersten) Leiter (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (7) einen rohrförmigen Mantel umfasst, der mindestens eine Öffnung (8) zur Reduzierung der axialen Steifigkeit aufweist.
Verbindungselement gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (8) spiralförmig verläuft.
Verbindungselement gemäß 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei spiralförmig verlaufende Öffnungen (8), die ausgehend von den beiden Enden des Mantels aufeinander zu verlaufen.
Verbindungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel an zumindest einem Ende mit schräg bezüglich der Längsachse des Mantels verlaufenden Federlaschen (9) ausgebildet ist.
Verbindungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel an zumindest einem Ende eine Auflagefläche ausbildet, die größer als die Querschnittsfläche der Mantelwand ist.
Verbindungselement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche als abgekantetes Ende des Mantels ausgebildet ist.
Verbindungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter (7) mit einem zweiten Leiter (10) in einem elektrisch leitenden und axial beweglichen Kontakt steht.
8. Verbindungselement gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leiter (10) einen geschlossenen rohrförmigen Mantel aufweist.
9. Verbindungselement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Leiter (7, 10) als Außenleiter (2) einen Innenleiter (1) umgeben.
10. Verbindungselement gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (1) als Federkontaktstift ausgebildet ist.
11. Verbindungselement gemäß Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Außenleiter (2) und dem Innenleiter (1) angeordnetes Isolierelement (3).
12. Verbindungselement gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (3) mit dem Innenleiter (1) und einem Abschnitt des Außenleiters (2) fest verbunden ist.
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