WO2013091964A1 - Polymere scheibe mit elektrisch leitfähiger struktur - Google Patents

Polymere scheibe mit elektrisch leitfähiger struktur Download PDF

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WO2013091964A1
WO2013091964A1 PCT/EP2012/071691 EP2012071691W WO2013091964A1 WO 2013091964 A1 WO2013091964 A1 WO 2013091964A1 EP 2012071691 W EP2012071691 W EP 2012071691W WO 2013091964 A1 WO2013091964 A1 WO 2013091964A1
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WO
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substrate
contacting
contacting rail
polymeric
polymeric substrate
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/071691
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Lesmeister
Andreas Schlarb
Original Assignee
Saint-Gobain Glass France
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Publication date
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Priority to EP12798166.0A priority patent/EP2794366B1/de
Priority to CN201280063402.5A priority patent/CN104039609B/zh
Priority to JP2014547787A priority patent/JP2015508554A/ja
Priority to ES12798166.0T priority patent/ES2617996T3/es
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    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/84—Heating arrangements specially adapted for transparent or reflecting areas, e.g. for demisting or de-icing windows, mirrors or vehicle windshields
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
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    • H05B3/06—Heater elements structurally combined with coupling elements or holders
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B2203/011—Heaters using laterally extending conductive material as connecting means
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    • H05B2203/017—Manufacturing methods or apparatus for heaters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49082—Resistor making
    • Y10T29/49083—Heater type

Definitions

  • the invention relates to a polymeric disc having an electrically conductive structure, a process for their preparation and their use.
  • Windows of motor vehicles are often provided with electrically conductive structures, by which, for example, heating or antenna functions are met.
  • electrically conductive structures can be printed on the surface of the pane as a heating or antenna conductor, for example in the form of a silver-containing paste, and partly baked.
  • printed current busbars and soldered thereto connecting elements for connection to the on-board electrical system By also printed current busbars and soldered thereto connecting elements for connection to the on-board electrical system, a stable electrical contacting of the conductors can be achieved.
  • plastic glazings are being used increasingly in the automotive industry, for example as rear, side or roof windows.
  • a heating or antenna function may be desired.
  • plastic discs also printed electrically conductive structures have been proposed, for example in US 5,525,401 A.
  • imprintable screen printing pastes that are as good as electrically conductive, as required for effective heating.
  • Electrically conductive structures for plastic discs can be realized in the form of thin wires.
  • the wires and optionally bus bars can be applied to a thin plastic film, which is then connected to the disk body.
  • the plastic film is glued to a previously manufactured disk body or inserted into an injection mold and connected by foil injection with the disk body.
  • Such solutions are known for example from DE 35 06 01 1 A1, EP 7 857 B1 and DE 101 47 537 A1.
  • the wires are securely fixed between the plastic film and the disk body and protected against damage.
  • the wires and possibly the Stromomsichienen are not easy to connect to the on-board electrical system, since they are not accessible from the outside.
  • the ends of the wires or the current busbars or a plug-in connection connected to the wires can be led beyond the edge of the window and contacted there electrically. Since the disc in Mounting position, however, is typically surrounded along the edge of a frame, the electrical contact is difficult and prone to damage.
  • DE 199 27 999 A1 discloses a synthetic resin window pane, which is produced by film injection molding of a synthetic resin film provided with an electrical conductor. For electrical contacting a hole is provided in the film. In the region of the hole, a metal layer or metal plate is arranged, which is fixed between the film and the disk body and is in contact with the conductor. Through the hole, the metal layer can be contacted with a connection element which is fastened by fastening pins on the surface of the disk body or by claws on the underside of the connection element on the disk body. By introducing the metal layer as a connection between electrical conductors and connecting element, however, the production of the disc is complicated and error-prone. Since the metal layer is introduced into the pane during the film injection, the method of electrical contacting is restricted to panes which were produced according to the teaching of DE 199 27 999 A1.
  • Wires can also be introduced directly into the surface of a plastic disk, which is known for example from US 2006/0232972 A1.
  • a heating wire is thermally embedded in the surface of the plastic body.
  • Each end of the heating wire is welded to an electrical connection element which is fastened on the plastic body.
  • the electrical contact is prone to error: if the electrically conductive connection between the two connecting elements is interrupted, for example, by a breakage of the heating wire, the heating function is completely off.
  • it is not taught in US 2006/0232972 A1 how the connection element can be reliably fixed on the disk body.
  • the object of the present invention is to provide a polymeric disc having an electrically conductive structure and a method for the production thereof, wherein the electrically conductive structure is easily and reliably electrically contacted.
  • the object of the present invention is achieved by a polymeric disc having an electrically conductive structure according to the independent claim 1. Preferred embodiments will become apparent from the dependent claims.
  • the polymer disc according to the invention having an electrically conductive structure comprises at least the following features:
  • a polymeric substrate having at least one conductive trace on a surface of the polymeric substrate
  • At least one electrically conductive, elastic justifyleitersschiene which is electrically connected to a arranged between the polymeric substrate and the justifyleitersschiene portion of the conductor track, and
  • fastener is integrally formed with the polymeric substrate.
  • a surface of the polymeric substrate is configured to provide the fastener of the invention or fasteners of the invention as part of the polymeric substrate.
  • the fasteners are then formed in one piece with the polymeric substrate according to the invention.
  • the fasteners are not separate from the substrate elements that must be connected, for example by gluing or screwing to the substrate.
  • the polymeric substrate is preferably provided by injection molding.
  • the injection mold has depressions on a surface facing the interior.
  • the molten polymeric material is injected into the interior of the injection mold. After curing of the polymeric material, the polymeric substrate can be removed from the injection mold. Due to the recesses in the injection mold, structures are arranged on a surface of the polymeric substrate, which serve according to the invention as fastening elements for the Kunststofftechniksschienen.
  • the polymeric substrate may be provided in a first smooth-surfaced injection molding step, and then the fasteners may be molded onto the smooth surface in a second injection molding step.
  • the contacting rail is elastic according to the invention. This means that the contacting rail is dimensionally stable and, after a deformation below the elastic limit, for example a slight bending, returns to the original shape when the action of force ceases.
  • the contacting rail according to the invention is electrically conductive. Therefore, an electrical connection of the conductor track to an external electrical system, for example a voltage source, can be realized via the contacting rail.
  • the conductor track comprises a partial region, which is arranged between the contacting rail and the surface of the substrate and is in electrically conductive contact with the contacting rail.
  • the conductor track is connected to the contacting rail at least via its side facing away from the polymer substrate.
  • An electrical contact surface of the conductor track, via which the electrically conductive connection between the conductor track and the contacting rail is provided, is therefore remote from the surface of the substrate.
  • a simple electrical contacting of the conductor track is advantageously achieved by the contacting rail clamped onto the surface of the substrate from above.
  • the Kunststoff musclessschiene has at least one intended for contacting with the conductor track and for clamping on the surface of the polymeric substrate area.
  • This area preferably has a rectangular base area. However, the area can also have a base area with other shapes, for example the shape of a curved quadrilateral, an oval, an ellipse or a circle segment.
  • the thickness of the area of the contacting rail provided for clamping is preferably from 0.5 mm to 5 mm, particularly preferably from 1 mm to 3 mm. This is particularly advantageous with regard to the stability and the elastic deformability of the contacting rail.
  • the width of the contacting rail is preferably from 3 mm to 50 mm, especially preferably from 5 mm to 20 mm.
  • the dimension of the contacting rail is referred to in the context of the invention, along which the conductor runs.
  • the conductor preferably extends along the entire length of the contacting rail, or along the entire length of the intended for clamping portion of the contacting rail. This means that the conductor track has no interruption in the area between the substrate and the contacting rail. This is particularly advantageous with regard to a simple production of the disc according to the invention and a stable contacting of the conductor track.
  • the length of the Kunststoff musclessschiene can vary widely and so perfectly adapted to the requirements in each case. If a plurality of parallel conductor tracks contacted with the Kunststoff musclessschiene, then the minimum length of the Kunststoff musclessschiene results from the number of interconnects and the distance from adjacent interconnects.
  • the length of the contacting rail is for example from 5 cm to 50 cm.
  • the contacting rail is preferably arranged parallel to the surface of the substrate in the installed position. Depending on the type of fastening elements according to the invention, the contacting rail can also have holes, notches or other shape features.
  • the contacting rail preferably contains tungsten, copper, nickel, manganese, aluminum, silver, chromium, cobalt and / or iron, as well as mixtures and / or alloys thereof.
  • the contacting rail particularly preferably contains a metal or an alloy, whereby the elasticity of the contacting rail is ensured.
  • the contacting rail preferably contains at least one stainless steel, a chromium-containing stainless ("stainless") steel or a spring steel.
  • stainless chromium-containing stainless
  • the wall facing the substrate surface of the Needlesssensschiene is then not plan, but has one or more increases.
  • the elevations have, for example, in the cross section through the width of the contacting rail perpendicular to the surface of the substrate, the profile of a circular segment or of an elliptical segment. The elevations preferably extend along the length of the contacting rail.
  • the strip conductor is then not in contact along the entire width of the contacting rail with the contacting rail, but only with a region of the increase.
  • the pressure which the clamped contacting rail exerts on the conductor track is increased and the stability of the electrical contacting is advantageously increased. It is advantageously achieved a locally defined, reproducible contact area within the surface of the contacting rail.
  • the Kunststoffssensschiene may in this case contain materials that do not guarantee the elasticity of the Kunststoff musclessschiene invention, because a stiffening of the Kunststoff musclessschiene can be achieved by the introduced profiles advantageous.
  • the contacting rail can then contain copper, for example.
  • the contacting rail is preferably coated with nickel, tin, copper and / or silver.
  • the layer thickness is preferably from 0.1 ⁇ to 20 ⁇ , more preferably from 6 ⁇ to 12 ⁇ .
  • the particular advantage of the coating lies in an increased current carrying capacity and corrosion stability of the contacting rail.
  • the Kunststofftechniksschiene may be provided prior to clamping to the surface of the substrate with a bias voltage.
  • the contacting rail can be bent along its length.
  • the contacting rail is preferably bent so that its ends face away from the substrate when connected to the substrate. Due to the bias, the contact pressure of the contacting rail is increased and the stability of the electrical contact advantageously increased.
  • the conductor is connected to external electrical systems, which are arranged outside the disc.
  • the electrical systems are, for example, amplifiers, control units or voltage sources.
  • a cable to the external electrical system, for example, with the surface facing away from the substrate of the region of themaschinetechniksschiene, for clamping on the surface of the polymeric Substrate is provided, for example, by soldering, welding, gluing, crimping or clamping.
  • the contacting rail comprises an area which is provided for connection to the external electrical system and which is attached to the region provided for clamping to the surface of the polymeric substrate.
  • This area is referred to in the context of the invention as a connection area.
  • the connection region is preferably attached to a side edge of the region intended for clamping and is not arranged on the surface of the region intended for clamping, which faces away from the substrate. This is particularly advantageous with regard to a simple production of the contacting rail.
  • the connection region is particularly preferably designed as a standard-compliant blade connector on which the coupling of a connection cable to the external electrical system can be plugged.
  • the contacting rail then provides an interface to the external electrical system.
  • connection area can also have, for example, a hole to which a cable can be screwed to the external electrical system.
  • the cable to the external electrical system can alternatively be soldered, welded, crimped or glued to the connection area.
  • the polymeric substrate has according to the invention on a surface at least one integrally formed with the substrate fastener. With a surface while the preferred smooth surface is called away from the fasteners.
  • the fastening elements are suitable either on their own or in conjunction with another element to clamp the contacting rail to the surface of the substrate. By means of the fastening elements, a permanently stable connection of the substrate and the contacting rail is achieved. As a result, a permanently stable electrical connection is also achieved by the contacting rail and the partial region of the conductor track arranged between the contacting rail and the substrate.
  • the fastening element is designed in the manner of a hook.
  • a hook preferably has a first portion which is connected to the surface of the substrate and perpendicular or approximately perpendicular to Surface of the substrate is arranged.
  • a second portion is connected, which extends in the direction of the contacting rail and is at least partially disposed on the side remote from the substrate of the contacting rail.
  • a contact pressure force is exerted on the contacting rail via the second partial area, preferably on the surface of the contacting rail facing away from the substrate.
  • the contacting rail can be clamped by two such hooks on the surface of the substrate, when the two hooks are arranged on opposite edges of the contacting rail suitably.
  • a plurality of hooks are arranged around the contacting rail.
  • the distance between two adjacent hooks along an edge of the contacting rail is preferably from 1 cm to 10 cm. This is particularly advantageous in terms of a stable clamping connection between substrate and Mulltechniksschiene.
  • the first portion of the hook preferably adjoins the edge of the contacting rail. This prevents slippage of the contacting rail parallel to the surface of the substrate.
  • the shape and dimensioning of the hook is selected according to the invention such that the contacting rail is stably clamped to the surface of the substrate and has no freedom of movement perpendicular to the surface of the substrate.
  • the dimensioning of the hook is dependent in each case in particular on the thickness of the contacting rail.
  • the width of the hook along the edge of the contacting rail is preferably from 1 mm to 10 mm.
  • the contacting rail is preferably pressed between the hook-shaped fastening elements against the surface of the substrate, which is typically associated with a temporary bending of the fastening elements.
  • the dimensioning of the fastening elements, in particular the material thickness of the fastening elements and the shape and size of the second portion of the hook is chosen so that such a reversible bending without damaging the fasteners is possible.
  • the fastening element is formed as a pin which is arranged perpendicular or approximately perpendicular to the surface of the substrate.
  • the pin may have a triangular, rectangular, oval, or polygonal, preferably circular, cross-sectional area parallel to the surface of the substrate.
  • the length and width of the pin parallel to the surface of the substrate is preferably from 2 mm to 10 mm. This is particularly advantageous in terms of a stable connection between Needles Industriessschiene and substrate.
  • the contacting rail has one or more holes through which the fasteners are passed. The Number, the relative arrangement, the shape and the size of the holes in the Kunststofftechniksschiene are chosen suitably.
  • each fastener is suitably chosen so that the fastener protrudes beyond the Kunststoff Obersschiene.
  • the contacting rail is permanently clamped to the surface of the substrate by means of the at least one fastening element.
  • the tip of each fastening element facing away from the substrate can be heated and suitably deformed so that the contacting rail has no freedom of movement perpendicular to the surface of the substrate.
  • a fixing element is attached to each fastening element, preferably attached, via which a contact pressure force is exerted on the contacting rail.
  • the fixing elements preferably contain at least one metal or an alloy, for example steel, but may also contain a polymer. Suitable fixing elements are, for example, Starlock® retaining rings. But it can also be used differently configured fixing elements that do not detach in the installed position of the fasteners.
  • the contacting rail can be clamped to the surface of the substrate by a fastening element with attached fixing element.
  • a planar shaped contacting rail having a single fastener may be clamped to a curved polymeric substrate.
  • the elastic contacting rail is bent by clamping to the curved substrate.
  • the elasticity of the contacting rail leads to a contact force of the contacting rail to the polymeric substrate.
  • the contacting rail is clamped by at least two fastening elements with attached fixing elements to the surface of the substrate.
  • a plurality of fastening elements are arranged along the length of the contacting rail. It is also possible to arrange a plurality of rows of fastening elements along the length of the contacting rail.
  • the distance between two adjacent fastening elements is preferably from 1 cm to 15 cm, for example 10 cm. This is particularly advantageous in terms of a stable clamping connection between substrate and justify réellesschiene.
  • the electrical connection between the external electrical system and the conductor takes place according to the invention via the electrically conductive contacting rail.
  • an additional current busbar is arranged between the surface of the substrate and the conductor track in the region of the contacting rail and / or between the contacting rail and the conductor track.
  • the current busbars preferably contain tungsten, copper, nickel, manganese, aluminum, silver, chromium, tin and / or iron, as well as mixtures and / or alloys thereof, particularly preferably tungsten and / or copper.
  • the current busbars preferably have a thickness of 10 ⁇ to 200 ⁇ , more preferably from 50 ⁇ to 100 ⁇ on.
  • the width of a current busbar along which the current busbar is connected to the conductor track is preferably from 2 mm to 100 mm, particularly preferably from 5 mm to 20 mm.
  • the length of the Stromammenischischienen can vary widely and so perfectly adapted to the requirements in each case. If a plurality of parallel conductor tracks are contacted, the minimum length of the current busbars results from the number of conductor tracks and the distance from adjacent conductor tracks. The length of the current busbars is for example from 5 cm to 50 cm.
  • the current busbars are preferably coated with nickel, tin, copper and / or silver.
  • the layer thickness is preferably from 0.1 ⁇ to 20 ⁇ , more preferably from 6 ⁇ to 12 ⁇ .
  • the particular advantage of the coating lies in an increased current carrying capacity and corrosion stability of the current busbars.
  • a current busbar between the surface of the substrate and the conductor track in the region of the contacting rail is preferably fastened to the substrate with a double-sided adhesive tape or an adhesive.
  • the electrical connection of current busbar, conductor track and contacting rail is thereby advantageously facilitated and the current busbar is permanently fixed on the surface of the substrate.
  • the two current busbars can be connected to each other by means of solder mass.
  • the conductor track is then embedded in the solder mass, which advantageously results in an improved and more stable electrical contact, even if the conductor itself is not solderable.
  • a lead-free solder mass is preferably used because, due to the End-of-Life Vehicle Directive 2000/53 / EC, lead-containing solders within the EC must be replaced by lead-free solders.
  • the solder mass preferably contains tin and bismuth, indium, zinc, copper, silver or compositions thereof.
  • the proportion of tin in the solder composition is from 3 wt .-% to 99.5 wt .-%, preferably from 10 wt .-% to 95.5 wt .-%, particularly preferably from 15 wt .-% to 60 wt .-%.
  • the proportion of bismuth, indium, zinc, copper, silver or compositions thereof is in the solder composition of 0.5 wt .-% to 97 wt .-%, preferably 10 wt .-% to 67 wt .-%, wherein the respective May be amount of bismuth, indium, zinc, copper or silver 0 wt .-%.
  • the solder composition may contain nickel, germanium, aluminum or phosphorus at a level of from 0% to 5% by weight.
  • the solder composition most preferably contains Bi40Sn57Ag3, Sn40Bi57Ag3, Bi59Sn40Ag1, Bi57Sn42Ag1, ln97Ag3, Sn95.5Ag3.8Cu0.7, Bi67ln33, Bi33ln50Sn17, Sn77,2ln20Ag2,8, Sn95Ag4Cu1, Sn99Cu1, Sn96,5Ag3,5, or mixtures thereof.
  • the printed conductor is applied to the polymeric substrate by means of ultrasound embedding.
  • a sonotrode is preferably guided by means of a multi-axis robot and a force-controlled tool compensation on the inside of the polymeric substrate.
  • the force-controlled tool compensation makes it possible to adapt the position of the sonotrode to the three-dimensional geometry of the polymeric substrate.
  • the sonotrode transmits high-frequency mechanical vibrations (ultrasound) generated by an ultrasonic generator to the polymeric substrate. Heat is generated and a surface layer of the inside of the polymeric substrate is melted.
  • the conductor is introduced into the fused surface layer.
  • the sonotrode carries a wire at its tip, wherein the wire is continuously fed via a wire roller near the sonotrode.
  • a suitable as a sonotrode tool is known for example from US 6,023,837 A.
  • the penetration depth of the conductor track into the polymeric substrate is preferably from 50% to 90%, particularly preferably from 60% to 75% of the thickness of the conductor track.
  • the uncomplicated application of the trace by means of ultrasonic embedding is special advantageous in terms of a stable connection between the conductor track and the polymeric substrate.
  • At least a portion of the track is embedded in the polymeric substrate.
  • the trace may be embedded in the polymeric substrate along its entire length. This is particularly advantageous in terms of a stable connection between the polymeric substrate and the conductor track.
  • the intended for electrical contacting with the Kunststoffssensschiene area of the conductor is not embedded in the polymeric substrate.
  • an additional current busbar can be arranged between the conductor track in the region of the contacting rail and the polymer substrate.
  • the conductor can also be applied to the polymeric substrate by other methods.
  • the printed conductor can be applied to the polymeric substrate by all methods known to the person skilled in the art as long as the partial region provided for contacting with the contacting rail protrudes from the surface of the polymeric substrate.
  • the applicability of the electrical contacting according to the invention by means of the contacting rail independently of the application of the conductor tracks is a great advantage of the present invention in comparison to the prior art.
  • the printed conductor can be pressed into the surface of the polymeric substrate, as described, for example, in DE 35 06 01 1 A1.
  • the conductor can also be applied to a polymeric carrier film, which is then bonded to the polymeric substrate. If the printed conductor is to be embedded between the carrier film and the polymeric substrate, then at least one end of the printed conductor must protrude beyond the edge of the carrier film in order to be accessible after bonding of the carrier film to the substrate for the contacting.
  • the conductor contains at least one metal, preferably tungsten, copper, nickel, manganese, aluminum, silver, chromium and / or iron, as well as mixtures and / or alloys thereof.
  • the conductor track particularly preferably contains tungsten and / or copper. This results in particularly good results.
  • the disc according to the invention is a heatable disc.
  • the conductor track is electrically conductively connected to two contacting rails according to the invention.
  • at least two, typically a plurality of tracks are connected to the two Kunststoffssensschienen.
  • the two contacting rails advantageously provide a stable electrical contacting of the conductor tracks.
  • Each track is electrically connected to both Mull michodersschienen and is powered independently of the other tracks with voltage.
  • the damage of a conductor track thus advantageously does not lead to a complete failure of the active heating of the disc.
  • the thickness of the conductor tracks is preferably from 10 ⁇ to 300 ⁇ , more preferably from 25 ⁇ to 150 ⁇ . This is particularly advantageous in terms of the transparency of the polymeric disk, the heating power introduced and the prevention of short circuits.
  • the conductor tracks preferably extend in a straight line between the two contacting rails.
  • the conductor tracks may also run, for example, wave-like, meandering or in the form of a zig-zag pattern between the two contacting rails.
  • the distance between two adjacent conductor tracks is preferably constant over the entire length of the conductor tracks. The distance between two adjacent tracks can also change in the course between the twomaschinetechniksschienen.
  • the conductor tracks can run in any direction, preferably horizontally or vertically.
  • the distance between two adjacent conductor tracks is preferably from 5 mm to 30 mm, particularly preferably 6 mm to 20 mm. This is particularly advantageous with regard to the transparency of the polymeric disk and the distribution of the heating power introduced via the conductor tracks.
  • the length of the tracks can vary widely and so easily adapted to the requirements in each case.
  • the tracks have, for example, lengths of 5 cm to 150 cm.
  • Adjacent conductor tracks can be connected to one another on the side of a contacting rail facing away from the other contacting rail.
  • the conductor tracks can thus be applied in the form of a single heating wire to the polymeric substrate, wherein the heating wire after application comprises two or more sections, which are provided as conductor tracks and which are looped together.
  • Each section of the heating wire provided as a conductor track is connected in the region of one end to the first contacting rail and in the region of the other end to the second contacting rail.
  • Each section of the heating wire in the region of the contacting rails and between the contacting rails forms a conductor track.
  • adjacent conductor tracks may not be connected to one another on the side of a contacting rail facing away from the other contacting rail.
  • the conductor tracks are thus applied in the form of a plurality of heating wires to the polymeric substrate, wherein each heating wire is connected in the region of one end to the first contacting rail and in the region of the other end to the second contacting rail.
  • Each heating wire comprises a conductor track in the area of the contact bars and between the contact bars.
  • a part of the conductor tracks which forms a first heating field may be connected to a first and a second contacting rail and a further part of the conductor tracks, which forms a second heating field, to a third and a fourth contacting rail.
  • Two independent heating fields can also be realized, for example, by connecting all conductor tracks to a first contacting rail.
  • a part of the strip conductors, which forms a first heating field is additionally connected to a second contacting rail and a further part of the strip conductors, which forms a second heating field, is additionally connected to a third contacting rail.
  • more than two independent heating panels can be realized according to the invention.
  • the polymeric substrate is preferably planar or slightly curved in one direction or in multiple directions of the space.
  • the polymeric substrate is preferably at least partially transparent.
  • the polymeric substrate may be colorless, colored or tinted.
  • the polymeric substrate can be clear or cloudy.
  • the polymeric substrate preferably contains at least polyethylene (PE), polycarbonates (PC), polypropylene (PP), polystyrene, polybutadiene, polynitriles, polyesters, polyurethanes, polymethylmethacrylates, polyacrylates, polyesters, polyamides, polyethylene terephthalate (PET), acrylonitrile-butadiene-styrene (PCT). ABS), styrene-acrylonitrile (SAN), acrylic ester-styrene-acrylonitrile (ASA), acrylonitrile-butadiene-styrene - polycarbonate (ABS / PC) and / or copolymers or mixtures thereof.
  • PE polyethylene
  • PC polycarbonates
  • PP polypropylene
  • polystyrene polybutadiene
  • polynitriles polyesters
  • polyurethanes polymethylmethacrylates
  • polyacrylates polyesters
  • PET polyethylene terephthalate
  • PCT
  • the polymeric substrate particularly preferably contains polycarbonates (PC), polyethylene terephthalate (PET) and / or polymethyl methacrylate (PMMA). This is particularly advantageous in terms of transparency, processing, strength, weatherability and chemical resistance of the polymeric substrate.
  • PC polycarbonates
  • PET polyethylene terephthalate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the polymeric substrate preferably has a thickness of 1 mm to 10 mm, more preferably 3 mm to 5 mm. This is particularly advantageous in terms of strength and processing of the polymeric substrate.
  • the size of the polymeric base body can vary widely and depends on the use according to the invention.
  • the polymeric substrate preferably has an area of 100 cm 2 to 3 m 2 , for example 1.5 m 2 , which is customary for windows of vehicles and in the construction and architectural sectors.
  • the electrical contacting of the printed conductor may not be visible by means of the contacting rail through the polymeric substrate.
  • the polymeric substrate can be dyed or blackened in the region of the contacting rail.
  • the polymeric substrate can also be produced, for example, by multi-component injection molding, wherein the polymeric substrate in the region on which the contacting rail is to be arranged comprises an opaque component which obscures the view of the electrical contacting through the polymeric substrate.
  • the opaque component of the polymeric substrate preferably contains at least one colorant.
  • the colorant achieves the opacity of the component.
  • the colorant may contain inorganic and / or organic dyes and / or pigments.
  • the colorant can be colorful or un-colored.
  • Suitable colorants are known to those skilled in the art and can be consulted, for example, in the Color Index of the British Society of Dyers and Colourists and the American Association of Textile Chemists and Colorists.
  • a black pigment is used as the colorant, for example, carbon black, aniline black, leg black, iron oxide black, spinel black, and / or graphite. This achieves a black opaque component.
  • cover screen prints may be applied to a surface of the polymeric substrate.
  • a protective coating is applied to the surface facing away from the contacting rails surface of the polymeric susbtrate to protect the disc according to the invention from environmental influences.
  • Preference is given to using thermosetting or UV-curing coating systems based on polysiloxanes, polyacrylates, polymethacrylates and / or polyurethanes.
  • the protective coating preferably has a layer thickness of 1 ⁇ to 50 ⁇ , more preferably from 2 ⁇ to 25 ⁇ .
  • the particular advantage lies in the increased scratch resistance and weather resistance of the polymeric substrate by the protective coating.
  • the protective coating may contain, in addition to coloring compounds and pigments, also UV blockers, preservatives and components for increasing the scratch resistance, for example nanoparticles.
  • the protective coating may be applied to the polymeric substrate by, for example, a dipping, flooding or spraying process.
  • the protective coating is preferably cured after application via temperature and / or UV light entry.
  • Suitable protective coatings are the AS4000, the AS4700, the PHC587 or the UVHC300 provided by Momentive.
  • the object of the present invention is further achieved according to the invention by a method for producing a polymeric disk having an electrically conductive structure, wherein at least:
  • a) a polymeric substrate which contains at least one fastening element formed integrally with the polymeric substrate on a surface is provided, b) at least one printed conductor is attached to the surface of the substrate and c) at least one contacting rail in the region of the printed conductor by means of the fastening element the surface of the substrate is clamped.
  • the conductor track is attached to the surface of the substrate by means of ultrasonic embedding.
  • a current busbar is mounted on the surface of the substrate, preferably adhesively bonded, prior to the attachment of the conductor track. The current busbar is thereby positioned in the region of the surface of the substrate which is provided for clamping the contacting rail.
  • a sonotrode for ultrasound embedding of the conductor track can be guided over the current busbar so that the conductor track is embedded in the surface of the polymeric substrate on both sides of the current busbar.
  • the polymeric disc with electrically conductive structure is preferably used as a disc or as part of a disc of means of transport for transport on land, in the air or on water, in particular as rear, windscreen, side, roof window, light cover and / or Spoilers of motor vehicles and rail vehicles.
  • the polymeric disc with electrically conductive structure can also be used in functional and / or decorative individual pieces or as a built-in part in furniture and appliances.
  • the polymeric disk is used in particular as a disk with heating and / or antenna function, wherein the conductor track according to the invention or the printed conductors according to the invention are used as heating conductor and / or as antenna conductor.
  • FIG. 2 shows a plan view of a further embodiment of the pane according to the invention
  • FIG. 3 shows a section along A-A 'through the pane according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 4 shows a section along A-A 'through the disk according to FIG. 1 before the contact rail is clamped
  • FIG. 5 shows a section along A-A 'through a further embodiment of the disc according to the invention
  • FIGS. 1, 3 and 6 each show a detail of a polymeric disk (I) according to the invention with an electrically conductive structure.
  • the polymeric disc (I) is provided as a heated disc.
  • the polymeric disc (I) contains a polymeric substrate 1.
  • the polymeric substrate 1 contains polycarbonate (PC) and has a thickness of 4 mm.
  • On a surface 12 of the polymeric substrate eight printed conductors 2 are arranged.
  • the conductor tracks 2 are arranged parallel to one another and horizontally.
  • the conductor tracks 2 contain tungsten and have a thickness of 70 ⁇ .
  • the distance between two adjacent tracks 2 is 15 mm.
  • the interconnects 2 are embedded by means of ultrasonic embedding over their entire length in the polymeric substrate 1, wherein the penetration depth is about 40 ⁇ .
  • the polymeric disc (I) further includes two contacting rails 3.
  • the first end portion of each conductor 2 is connected to the first contacting rail 3, and the second end portion of each conductor 2 is electrically connected to the second contacting rail 3.
  • the end regions of the conductor tracks 2 are arranged between the polymeric substrate 1 and the contacting rail 3.
  • the tracks 2 are sections of a single heating wire, which are in a loop with each other connected straight sections on the polymeric substrate 1 is applied. Adjacent conductor tracks 2 are thus connected to one another by a region of the heating wire, wherein the connection takes place alternately on the side of the second contacting rail 3 facing away from the first contacting rail 3 and on the side of the first contacting rail 3 facing away from the second contacting rail 3.
  • the contacting rails 3 contain stainless steel.
  • the intended for clamping to the surface 12 of the polymeric substrate 1 region of eachmaschinetechniksschiene 3 has a rectangular base area with a width of 15 mm and a length of 80 mm.
  • the thickness of the contacting rail is 1.5 mm.
  • the polymeric disc (I) further includes fasteners 4 formed integrally with the polymeric substrate 1.
  • the fastening elements 4 are designed as hooks. Surrounding each devistechniksschiene 3 six fasteners 4 are arranged. By means of the fastening elements 4, each contacting rail 3 is permanently stably clamped to the surface 12 of the polymeric substrate 1. The Kunststofftechniksschienen 3 are thereby pressed against the conductor tracks 2, whereby a permanently stable electrical connection between the Heidelberg michsschienen 3 and the conductor tracks 2 is provided.
  • Each contacting rail 3 comprises a connection region 5, which is provided for connection to an external, not shown, voltage source.
  • the connection region 5 is attached to the longitudinal edge of the rectangular section which is remote from the other contacting rail 3 and is arranged to be clamped to the surface 12 of the polymeric substrate 1.
  • the connection region 5 is designed as a standardized flat connector, to which the coupling of a connection cable, not shown, can be plugged for power supply.
  • the contacting rail 3 thus advantageously provides an interface to the external power supply, so that further work steps such as, for example, soldering the contacting rail 3 with an electrical connection element are not necessary.
  • FIGS. 2 and 8 each show a detail of an alternative embodiment of the polymeric disk (I) according to the invention.
  • the polymeric substrate On the surface 12 of the polymeric substrate 1, six heating wires are arranged as conductor tracks 2. In the areas of electrical contacting, the printed conductors 2 are not embedded in the polymeric substrate 1. Between eachmaschinetechniksschiene 3 and the interconnects 2, an additional current busbar 6 is arranged. In the region of each contacting rail 3, a further current busbar 6 is arranged between the surface 12 of the substrate 1 and the conductor tracks 2.
  • the current busbars 6 contain copper and have a thickness of 100 ⁇ .
  • the current busbars 6 are tinned.
  • the length and width of the current busbars 6 corresponds to the length and width of the contacting rails 3
  • the current busbars 6 further improve the electrical contacting of the conductor tracks 2.
  • the current busbars 6 between the surface of the substrate 1 and the conductor tracks 2 are fixed on the substrate 1 by a double-sided adhesive tape 9.
  • Each contacting rail 3 is clamped by means of three fastening elements 4 to the surface 12 of the polymeric substrate 1.
  • the fastening elements 4 are designed as pins.
  • the fastening elements 4 have a circular cross-sectional area parallel to the surface 12 of the substrate 1 with a diameter of 5 mm.
  • the contacting rails 3 and the current busbars 6 have circular holes through which the fastening elements 4 are guided.
  • a fixing element 8 is attached to the side facing away from the substrate 1 side of the contacting rails 3.
  • the fixing element 8 is, for example, a StarlockO retaining ring (round shaft, item number 8153), which can not be detached from the fastening element 4 after being plugged on.
  • each contacting rail 3 is permanently stably clamped to the surface 12 of the substrate 1.
  • the Kunststoffianssschienen 3 are thereby against the Printed conductors 2, whereby a permanently stable electrical connection between the Why istsschienen 3 and the conductor tracks 2 is provided.
  • connection region 5 of each contacting rail 3 is attached to a transverse edge of the rectangular region intended for clamping to the surface 12 of the polymeric substrate 1.
  • FIG. 3 shows a section along AA 'through the polymeric disk (I) according to the invention according to FIG. 1.
  • FIG. 4 shows the polymeric disk (I) of FIG. 3 prior to the bonding of the contacting rail 3 to the substrate 1.
  • the contacting rail 3 is bent along its length so that its ends face away from the substrate.
  • the contacting rail 3 is thereby provided with a bias, which is maintained as a result of the inventive elasticity of the contacting rail 3 after clamping. Due to the bias, the contact pressure of the contacting rail 3 is increased and the stability of the electrical contact advantageously increased.
  • Fig. 5 shows in continuation of the embodiment of Figures 1 and 3 an alternative embodiment of the polymeric disc (I) according to the invention.
  • the printed conductors 2 are not embedded in the polymeric substrate 1.
  • a current busbar 6 is arranged between the surface 12 of the substrate 1 and the conductor tracks 2. By the current busbars 6, the electrical contacting of the conductor tracks 2 is further improved.
  • the current busbars 6 are fixed on the substrate 1 by a double-sided adhesive tape 9.
  • a first portion of the hook-shaped fastening elements 4 is arranged approximately perpendicular to the surface 12 of the substrate 1.
  • a second subregion which extends in the direction of the contacting rail 3 and is arranged on the side of the contacting rail 3 facing away from the substrate 1, is connected to the first subregion.
  • the two portions of the fastener 4 are arranged in the embodiment shown at an angle of approximately 30 ° to each other. This flexibility of the second portion is achieved, which facilitates the attachment of themaschinetechnischsschiene 3 advantageous.
  • the Kunststoffelsschiene 3 is provided with a silver-containing coating 10, the layer thickness is 10 ⁇ . As a result, the current-carrying capacity and the corrosion stability of the contacting rail 3 are advantageously increased.
  • the protective coating 1 1 contains a thermosetting lacquer based on polysiloxane and has a layer thickness of 15 ⁇ .
  • the polymeric substrate 1 is advantageously protected from environmental influences such as weathering and mechanical action.
  • FIG. 6 shows a section along BB 'through the inventive polymeric disk (I) according to FIG. 1.
  • Fig. 7 shows in continuation of the embodiment of Figures 1 and 6, an alternative embodiment of the polymeric disc (I) according to the invention.
  • the connection region 5 of each contacting rail 3 is arranged above the contacting rail 3 in this exemplary embodiment.
  • a profile is impressed in each contacting rail 3.
  • the wall facing the substrate surface of the Kunststofftechniksschienen 3 thereby has two elevations, which have the profile of a circle segment in cross-section and extending along the length of the contacting rail 3.
  • the conductor tracks 2 are in contact with the contacting rails 3 over a region of each elevation. Thereby, the pressure that the clamped contacting rail 3 on the Conductors 2 exerts, increases and increases the stability of the electrical contact advantageously.
  • FIG. 8 shows a section along CC through the inventive polymeric disk (I) according to FIG. 2.
  • the polymeric substrate 1, the printed conductors 2, a contacting rail 3 with the region 5 provided for connection to an external voltage source, the current busbars 6 are shown and the integrally molded with the substrate 1 fasteners 4 with the fixing elements. 8
  • Fig. 9 shows in continuation of the embodiment of Figures 2 and 8, an alternative embodiment of the polymeric disc (I) according to the invention.
  • the two current busbars 6 arranged in the region of a contacting rail 3 are connected to one another by means of a soldering compound 7.
  • the solder mass 7 contains 57 wt .-% bismuth, 42 wt .-% tin and 1 wt .-% silver.
  • the conductor tracks 2 themselves are not solderable, the conductor tracks 2 are embedded in the solder mass 7. As a result, an improved and more stable electrical contact is advantageously achieved.
  • FIG. 10 shows a flow chart of an exemplary embodiment of the method according to the invention for producing a polymeric pane (I) with an electrically conductive structure.
  • Test samples of the polymeric disc (I) according to the invention having an electrically conductive structure were produced.
  • the polymeric substrates 1 were produced by injection molding with the fasteners 4.
  • fastening elements 4 according to FIG. 1 and FIG. 2 were used.
  • conductor tracks 2 were embedded in the surface 12 of the substrate 1 by means of ultrasound embedding.
  • Two contacting rails 3 were clamped by means of the fastening elements 4 to the surface 12 of the substrate 1 and thereby contacted with the conductor tracks 2.
  • the active heating of the polymeric disk (I) was made possible.
  • the Kunststoffels By integrally formed with the polymeric substrate 1 fasteners 4, the Kunststofftechniksschienen 3 could be easily clamped to the polymeric substrates 1.
  • the connection between substrate 1 and contacting rail 3 was permanently stable. This also became a permanently stable electrical connection between the Contact rails 3 and the printed conductors 2 reached.
  • the printed conductors 2 contacted according to the invention made it possible to remove condensed air moisture and ice from the polymeric disk within a short time. Due to the electrical contacting of each conductor 2 by means of the contacting rails 3, a deliberately caused damage to a single conductor 2 did not lead to complete failure of the heating effect.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine polymere Scheibe (I) mit elektrisch leitfähiger Struktur, zumindest umfassend: - ein polymeres Substrat (1) mit mindestens einer Leiterbahn (2) auf einer Oberfläche (12) des polymeren Substrats (1), - mindestens eine elektrisch leitfähige, elastische Kontaktierungsschiene (3), die mit einem zwischen dem polymeren Substrat (1) und der Kontaktierungsschiene (3) angeordneten Teilbereich der Leiterbahn (2) elektrisch verbunden ist, und - mindestens ein Befestigungselement (4), mit dem die Kontaktierungsschiene (3) an die Oberfläche (12) des polymeren Substrats (1) angeklemmt ist, wobei das Befestigungselement (4) einstückig mit dem polymeren Substrat (1) ausgebildet ist.

Description

Polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur
Die Erfindung betrifft eine polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur, ein Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung.
Scheiben von Kraftfahrzeugen werden häufig mit elektrisch leitfähigen Strukturen versehen, durch welche beispielsweise Heiz- oder Antennenfunktionen erfüllt werden. Bei Scheiben aus Glas können solche elektrisch leitfähigen Strukturen als Heiz- oder Antennenleiter beispielsweise in Form einer silberhaltigen Paste auf die Scheibenoberfläche aufgedruckt und teilweise eingebrannt werden. Durch ebenfalls aufgedruckte Stromsammeischienen und darauf angelötete Anschlusselemente zur Verbindung mit der Bordelektrik kann eine stabile elektrische Kontaktierung der Leiter erreicht werden.
Zur Verringerung des Fahrzeuggewichts werden im Automobilbau zunehmend Verscheibungen aus Kunststoff eingesetzt, beispielsweise als Rück-, Seiten- oder Dachscheibe. Bei solchen Scheiben kann auch eine Heiz- oder Antennenfunktion erwünscht sein. Für Kunststoffscheiben sind auch aufgedruckte elektrisch leitfähige Strukturen vorgeschlagen worden, beispielsweise in US 5,525,401 A. Es stehen allerdings keine in einer industriellen Produktion auf Kunststoffoberflächen aufdruckbare Siebdruckpasten zur Verfügung, die so gut elektrisch leitfähig sind, wie es für eine effektive Beheizung erforderlich ist.
Elektrisch leitfähige Strukturen für Kunststoffscheiben können in Form von dünnen Drähten realisiert werden. Die Drähte und gegebenenfalls Stromsammeischienen können auf eine dünne Kunststofffolie aufgebracht werden, welche anschließend mit dem Scheibenkörper verbunden wird. Die Kunststofffolie wird dazu mit einem vorher gefertigten Scheibenkörper verklebt oder in eine Spritzgussform eingelegt und durch Folienhinterspritzung mit dem Scheibenkörper verbunden. Solche Lösungen sind beispielsweise aus DE 35 06 01 1 A1 , EP 7 857 B1 und DE 101 47 537 A1 bekannt. Die Drähte sind zwischen Kunststofffolie und Scheibenkörper sicher fixiert und vor Beschädigung geschützt. Die Drähte und gegebenenfalls die Stromsammeischienen sind allerdings nicht einfach mit der Bordelektrik zu verbinden, da sie von außen nicht zugänglich sind. Die Enden der Drähte oder der Stromsammeischienen oder ein mit den Drähten verbundener Steckanschluss können über die Scheibenkante hinaus geführt und dort elektrisch kontaktiert werden. Da die Scheibe in Einbaulage allerdings typischerweise entlang der Kante von einem Rahmen umgeben ist, ist die elektrische Kontaktierung erschwert und anfällig für Beschädigungen.
DE 199 27 999 A1 offenbart eine Kunstharz-Fensterscheibe, die durch Folienhinterspritzung einer mit einem elektrischen Leiter versehenen Kunstharzfolie hergestellt wird. Zur elektrischen Kontaktierung ist in der Folie ein Loch vorgesehen. Im Bereich des Loches ist eine Metallschicht oder Metallplatte angeordnet, die zwischen der Folie und dem Scheibenkörper fixiert ist und mit dem Leiter in Kontakt steht. Durch das Loch kann die Metallschicht mit einem Anschlusselement kontaktiert werden, welches durch Befestigungsstifte an der Oberfläche des Scheibenkörpers oder durch Klauen an der Unterseite des Anschlusselements auf dem Scheibenkörper befestigt wird. Durch das Einbringen der Metallschicht als Verbindung zwischen elektrischen Leitern und Anschlusselement ist die Herstellung der Scheibe allerdings aufwendig und fehleranfällig. Da die Metallschicht bei der Folienhinterspritzung in die Scheibe eingebracht wird, bleibt die Methode der elektrischen Kontaktierung auf Scheiben beschränkt, die nach der Lehre von DE 199 27 999 A1 hergestellt wurden.
Drähte können auch direkt in die Oberfläche einer Kunststoffscheibe eingebracht werden können, was beispielsweise aus US 2006/0232972 A1 bekannt ist. Dabei wird ein Heizdraht thermisch in die Oberfläche des Kunststoffkörpers eingebettet. Jedes Ende des Heizdrahtes wird mit einem elektrischen Anschlusselement, das auf dem Kunststoffkörper befestigt ist, verschweißt. Die elektrische Kontaktierung ist fehleranfällig: wenn die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Anschlusselementen beispielsweise durch einen Bruch des Heizdrahtes unterbrochen wird, fällt die Heizfunktion komplett aus. Wie das Anschlusselement zuverlässig auf dem Scheibenkörper befestigt werden kann, wird zudem in US 2006/0232972 A1 nicht gelehrt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, wobei die elektrisch leitfähige Struktur einfach und zuverlässig elektrisch kontaktiert ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch eine polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die erfindungsgemäße polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur umfasst zumindest die folgenden Merkmale:
- ein polymeres Substrat mit mindestens einer Leiterbahn auf einer Oberfläche des polymeren Substrats,
- mindestens eine elektrisch leitfähige, elastische Kontaktierungsschiene, die mit einem zwischen dem polymeren Substrat und der Kontaktierungsschiene angeordneten Teilbereich der Leiterbahn elektrisch verbunden ist, und
- mindestens ein Befestigungselement, mit dem die Kontaktierungsschiene an die Oberfläche des polymeren Substrats angeklemmt ist,
wobei das Befestigungselement einstückig mit dem polymeren Substrat ausgebildet ist.
Eine Oberfläche des polymeren Substrats ist so ausgestaltet, dass das erfindungsgemäße Befestigungselement oder die erfindungsgemäßen Befestigungselemente als Teil des polymeren Substrats bereitgestellt werden. Die Befestigungselemente sind dann im Sinne der Erfindung einstückig mit dem polymeren Substrat ausgebildet. Die Befestigungselemente sind keine vom Substrat getrennten Elemente, die beispielsweise durch Kleben oder Schrauben mit dem Substrat verbunden werden müssen.
Das polymere Substrat wird bevorzugt durch Spritzgießen bereitgestellt. Die Spritzgussform weist dabei Vertiefungen an einer dem Innenraum zugewandten Oberfläche auf. Zur Herstellung des polymeren Substrats wird das aufgeschmolzene polymere Material in den Innenraum der Spritzgussform eingespritzt. Nach Aushärten des polymeren Materials kann das polymere Substrat der Spritzgussform entnommen werden. Durch die Vertiefungen in der Spritzgussform sind an einer Oberfläche des polymeren Substrats Strukturen angeordnet, welche erfindungsgemäß als Befestigungselemente für die Kontaktierungsschienen dienen.
Das polymere Substrat kann alternativ beispielsweise in einem ersten Spritzguss-Schritt mit glatter Oberfläche bereitgestellt werden, und die Befestigungselemente anschließend in einem zweiten Spritzguss-Schritt an die glatte Oberfläche angespritzt werden.
Die Kontaktierungsschiene ist erfindungsgemäß elastisch. Das bedeutet, dass die Kontaktierungsschiene formstabil ist und nach einer Verformung unterhalb der Elastizitätsgrenze, beispielsweise einer leichten Verbiegung, bei Wegfall der Krafteinwirkung in die ursprüngliche Form zurückkehrt. Die Kontaktierungsschiene ist erfindungsgemäß elektrisch leitfähig. Daher kann eine elektrische Verbindung der Leiterbahn zu einem externen elektrischen System, beispielsweise einer Spannungsquelle über die Kontaktierungsschiene realisiert werden. Die Leiterbahn umfasst einen Teilbereich, der zwischen der Kontaktierungsschiene und der Oberfläche des Substrats angeordnet ist und mit der Kontaktierungsschiene elektrisch leitend in Kontakt steht. Die Leiterbahn ist zumindest über ihre vom polymeren Substrat abgewandte Seite mit der Kontaktierungsschiene verbunden. Eine elektrische Kontaktfläche der Leiterbahn, über die die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterbahn und der Kontaktierungsschiene bereitgestellt wird, ist also von der Oberfläche des Substrats abgewandt. Dadurch wird vorteilhaft eine einfache elektrische Kontaktierung der Leiterbahn durch die von oben an die Oberfläche des Substrats angeklemmte Kontaktierungsschiene erreicht.
Aufgrund der Elastizität der an die Oberfläche des Substrats angeklemmten Kontaktierungsschiene wird ein Druck auf die Leiterbahn aufrechterhalten, der eine dauerhaft stabile elektrische Verbindung zwischen Kontaktierungsschiene und Leiterbahn gewährleistet. Die Verbindung ist deutlich stabiler als beispielsweise bei einer elektrischen Kontaktierung der Leiterbahn mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers. Das ist ein großer Vorteil der Erfindung. Da das Anklemmen der Kontaktierungsschiene mittels bereits auf dem Substrat vorhandener, einstückig mit dem Substrat ausgebildeter Befestigungselemente erfolgt, sind keine weiteren Bearbeitungsschritte wie beispielsweise Bohren oder Löten notwendig, die das Substrat möglicherweise beschädigen. Die Kontaktierungsschiene kann in sehr einfacher Weise mit der Oberfläche des Substrats dauerhaft stabil verbunden werden. Das ist ein weiterer großer Vorteil der Erfindung.
Die Kontaktierungsschiene weist zumindest einen zur Kontaktierung mit der Leiterbahn und zur Anklemmung an die Oberfläche des polymeren Substrats vorgesehenen Bereich auf. Dieser Bereich weist bevorzugt eine rechteckige Grundfläche auf. Der Bereich kann aber auch eine Grundfläche mit anderen Formen aufweisen, beispielsweise die Form eines gebogenen Vierecks, eines Ovals, einer Ellipse oder eines Kreissegments. Die Dicke des zur Anklemmung vorgesehenen Bereichs der Kontaktierungsschiene beträgt bevorzugt von 0,5 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 3 mm. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Stabilität und die elastische Verformbarkeit der Kontaktierungsschiene. Die Breite der Kontaktierungsschiene beträgt bevorzugt von 3 mm bis 50 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 20 mm. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine stabile Verbindung zwischen Kontaktierungsschiene und Oberfläche des Substrats und eine stabile elektrische Kontaktierung der Leiterbahn. Mit Breite wird im Sinne der Erfindung die Dimension der Kontaktierungsschiene bezeichnet, entlang derer die Leiterbahn verläuft. Die Leiterbahn verläuft bevorzugt entlang der gesamten Länge der Kontaktierungsschiene, beziehungsweise entlang der gesamten Länge des zur Anklemmung vorgesehenen Bereichs der Kontaktierungsschiene. Das bedeutet, dass die Leiterbahn im Bereich zwischen Substrat und Kontaktierungsschiene keine Unterbrechung aufweist. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Scheibe und eine stabile Kontaktierung der Leiterbahn.
Die Länge der Kontaktierungsschiene kann breit variieren und so hervorragend den Erfordernissen im Einzelfall angepasst werden. Werden mehrere parallel verlaufende Leiterbahnen mit der Kontaktierungsschiene kontaktiert, so ergibt sich die minimale Länge der Kontaktierungsschiene aus der Anzahl der Leiterbahnen und dem Abstand von benachbarten Leiterbahnen. Die Länge der Kontaktierungsschiene beträgt beispielsweise von 5 cm bis 50 cm. Die Kontaktierungsschiene ist in Einbaulage bevorzugt parallel zur Oberfläche des Substrats angeordnet. In Abhängigkeit von der Art der erfindungsgemäßen Befestigungselemente kann die Kontaktierungsschiene auch Löcher, Einkerbungen oder andere Formmerkmale aufweisen.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass mehrere Leiterbahnen, welche bevorzugt parallel zueinander verlaufen, durch eine Kontaktierungsschiene auf einfache und schnelle Weise gemeinsam elektrisch kontaktiert werden können. Das Anbringen weiterer elektrisch leitfähiger Elemente, welche die parallelen Leiterbahnen miteinander verbinden, ist somit nicht erforderlich.
Die Kontaktierungsschiene enthält bevorzugt Wolfram, Kupfer, Nickel, Mangan, Aluminium, Silber, Chrom, Kobalt und / oder Eisen, sowie Gemische und / oder Legierungen davon.
Die Kontaktierungsschiene enthält besonders bevorzugt ein Metall oder eine Legierung, wodurch die Elastizität der Kontaktierungsschiene gewährleistet wird. Die Kontaktierungsschiene enthält bevorzugt zumindest einen Edelstahl, einen chromhaltigen nichtrostenden („rostfreien") Stahl oder einen Federstahl. In die Kontaktierungsschiene kann auch ein Profil eingebracht sein, beispielsweise durch Prägen oder Fräsen. Die zum Substrat hingewandte Oberfläche der Kontaktierungsschiene ist dann nicht plan, sondern weist eine oder mehrerer Erhöhungen auf. Die Erhöhungen weisen beispielsweise im Querschnitt durch die Breite der Kontaktierungsschiene senkrecht zur Oberfläche des Substrats das Profil eines Kreissegments oder eines Ellipsensegments auf. Die Erhöhungen erstrecken sich bevorzugt entlang der Länge der Kontaktierungsschiene. Die Leiterbahn steht dann nicht entlang der gesamten Breite der Kontaktierungsschiene mit der Kontaktierungsschiene in Kontakt, sondern lediglich mit einem Bereich der Erhöhung. Dadurch wird der Druck, den die angeklemmte Kontaktierungsschiene auf die Leiterbahn ausübt, erhöht und die Stabilität der elektrischen Kontaktierung vorteilhaft erhöht. Es wird vorteilhaft ein örtlich definierter, reproduzierbarer Kontaktierungsbereich innerhalb der Oberfläche der Kontaktierungsschiene erreicht. Zudem kann die Kontaktierungsschiene in diesem Fall Materialien enthalten, die an sich die erfindungsgemäße Elastizität der Kontaktierungsschiene nicht gewährleisten, weil durch die eingebrachten Profile vorteilhaft eine Versteifung der Kontaktierungsschiene erreicht werden kann. Die Kontaktierungsschiene kann dann beispielsweise Kupfer enthalten.
Die Kontaktierungsschiene ist bevorzugt mit Nickel, Zinn, Kupfer und / oder Silber beschichtet. Die Schichtdicke beträgt bevorzugt von 0, 1 μιη bis 20 μιη, besonders bevorzugt von 6 μιη bis 12 μιη. Der besondere Vorteil der Beschichtung liegt in einer gesteigerten Stromtragfähigkeit und Korrosionsstabilität der Kontaktierungsschiene.
Die Kontaktierungsschiene kann vor dem Anklemmen an die Oberfläche des Substrats mit einer Vorspannung versehen werden. Beispielsweise kann die Kontaktierungsschiene entlang ihrer Länge gebogen werden. Die Kontaktierungsschiene wird bevorzugt so gebogen, dass ihre Enden beim Verbinden mit dem Substrat vom Substrat weg weisen. Durch die Vorspannung wird die Anpresskraft der Kontaktierungsschiene erhöht und die Stabilität der elektrischen Kontaktierung vorteilhaft gesteigert.
Über die Kontaktierungsschiene wird die Leiterbahn mit externen elektrischen Systemen verbunden, welche außerhalb der Scheibe angeordnet sind. Die elektrischen Systeme sind beispielsweise Verstärker, Steuereinheiten oder Spannungsquellen. Ein Kabel zum externen elektrischen System kann beispielsweise mit der vom Substrat abgewandten Oberfläche des Bereichs der Kontaktierungsschiene, der zur Anklemmung an die Oberfläche des polymeren Substrats vorgesehenen ist, verbunden werden, beispielsweise durch Löten, Schweißen, Kleben, Crimpen oder Klemmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kontaktierungsschiene einen Bereich, der zur Verbindung mit dem externen elektrischen System vorgesehen ist und der an den zur Anklemmung an die Oberfläche des polymeren Substrats vorgesehenen Bereich angesetzt ist. Dieser Bereich wird im Sinne der Erfindung als Anschlussbereich bezeichnet. Der Anschlussbereich ist bevorzugt an eine Seitenkante des zur Anklemmung vorgesehenen Bereichs angesetzt und nicht auf der vom Substrat abgewandten Oberfläche des zur Anklemmung vorgesehenen Bereichs angeordnet. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine einfache Herstellung der Kontaktierungsschiene. Der Anschlussbereich ist besonders bevorzugt als normgerechter Flachsteckverbinder ausgestaltet, auf den die Kupplung eines Verbindungskabels zum externen elektrischen System aufgesteckt werden kann. Die Kontaktierungsschiene stellt dann eine Schnittstelle zum externen elektrischen System bereit. Der besondere Vorteil liegt in einer einfachen und schnellen Verbindung der erfindungsgemäßen Scheibe mit dem externen elektrischen System. Zusätzliche Arbeitsschritte, beispielsweise das Verlöten oder Verschweißen der Kontaktierungsschiene mit einem Anschlusselement, sind nicht notwendig. Der Anschlussbereich kann aber beispielsweise auch ein Loch aufweisen, an das ein Kabel zum externen elektrischen System angeschraubt werden kann. Das Kabel zum externen elektrischen System kann alternativ auch an den Anschlussbereich gelötet, geschweißt, gecrimpt oder geklebt werden.
Das polymere Substrat weist erfindungsgemäß an einer Oberfläche zumindest ein einstückig mit dem Substrat ausgebildetes Befestigungselement auf. Mit Oberfläche wird dabei die bevorzugt glatte Fläche abseits der Befestigungselemente bezeichnet. Die Befestigungselemente sind entweder an sich oder in Verbindung mit einem weiteren Element dazu geeignet, die Kontaktierungsschiene an die Oberfläche des Substrats anzuklemmen. Mittels der Befestigungselemente wird eine dauerhaft stabile Verbindung von Substrat und Kontaktierungsschiene erreicht. Dadurch wird auch eine dauerhaft stabile elektrische Verbindung von der Kontaktierungsschiene und dem zwischen Kontaktierungsschiene und Substrat angeordneten Teilbereich der Leiterbahn erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Befestigungselement in der Art eines Hakens ausgestaltet. Ein solcher Haken weist bevorzugt einen ersten Teilbereich auf, der an die Oberfläche des Substrats angeschlossen ist und lotrecht oder annähernd lotrecht zur Oberfläche des Substrats angeordnet ist. An den ersten Teilbereich des Hakens ist ein zweiter Teilbereich angeschlossen, der sich in Richtung der Kontaktierungsschiene erstreckt und zumindest teilweise an der vom Substrat abgewandten Seite der Kontaktierungsschiene angeordnet ist. Über den zweiten Teilbereich wird eine Anpresskraft auf die Kontaktierungsschiene ausgeübt, bevorzugt auf die vom Substrat abgewandte Oberfläche der Kontaktierungsschiene. Prinzipiell kann die Kontaktierungsschiene durch zwei solcher Haken an die Oberfläche des Substrats angeklemmt werden, wenn die beiden Haken an gegenüberliegenden Kanten der Kontaktierungsschiene geeignet angeordnet sind. Bevorzugt sind mehrere Haken um die Kontaktierungsschiene angeordnet. Der Abstand zweier benachbarter Haken entlang einer Kante der Kontaktierungsschiene beträgt bevorzugt von 1 cm bis 10 cm. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine stabile Klemmverbindung zwischen Substrat und Kontaktierungsschiene. Der erste Teilbereich der Haken grenzt bevorzugt an die Kante der Kontaktierungsschiene an. Dadurch wird ein Verrutschen der Kontaktierungsschiene parallel zur Oberfläche des Substrats verhindert. Die Form und Dimensionierung der Haken wird erfindungsgemäß so gewählt, dass die Kontaktierungsschiene stabil an die Oberfläche des Substrats angeklemmt ist und keine Bewegungsfreiheit senkrecht zur Oberfläche des Substrats aufweist. Die Dimensionierung der Haken ist im Einzelfall insbesondere von der Dicke der Kontaktierungsschiene abhängig. Die Breite der Haken entlang der Kante der Kontaktierungsschiene beträgt bevorzugt von 1 mm bis 10 mm. Zum Anklemmen wird die Kontaktierungsschiene bevorzugt zwischen den hakenförmigen Befestigungselementen gegen die Oberfläche des Substrats gepresst, was typischerweise mit einer vorübergehenden Verbiegung der Befestigungselemente verbunden ist. Die Dimensionierung der Befestungselemente, insbesondere die Materialstärke der Befestigungselemente und die Form und Größe des zweiten Teilbereichs der Haken wird so gewählt, dass eine solche reversible Verbiegung ohne Beschädigung der Befestigungselemente möglich ist.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist das Befestigungselement als Stift ausgeformt, der lotrecht oder annähernd lotrecht zur Oberfläche des Substrats angeordnet ist. Der Stift kann beispielsweise eine dreieckige, rechteckige, ovale oder polygonale, bevorzugt kreisförmige Querschnittsfläche parallel zur Oberfläche des Substrats aufweisen. Die Länge und Breite des Stifts parallel zur Oberfläche des Substrats beträgt bevorzugt von 2 mm bis 10 mm. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine stabile Verbindung zwischen Kontaktierungsschiene und Substrat. Die Kontaktierungsschiene weist ein oder mehrere Löcher auf, durch welche die Befestigungselemente hindurch geführt werden. Die Anzahl, die relative Anordnung, die Form und die Größe der Löcher in der Kontaktierungsschiene sind dazu geeignet gewählt. Die Höhe jedes Befestigungselements ist geeignet so gewählt, dass das Befestigungselement über die Kontaktierungsschiene übersteht. Nach Anpressen der Kontaktierungsschiene an die Oberfläche des Substrats wird die Kontaktierungsschiene mittels des zumindest einen Befestigungselements dauerhaft stabil an die Oberfläche des Substrats angeklemmt. Dazu kann beispielsweise die vom Substrat wegweisende Spitze jedes Befestigungselements erwärmt und geeignet verformt werden, so dass die Kontaktierungsschiene keine Bewegungsfreiheit senkrecht zur Oberfläche des Substrats aufweist. Bevorzugt wird auf jedes Befestigungselement ein fixierendes Element angebracht, bevorzugt aufgesteckt, über welches eine Anpresskraft auf die Kontaktierungsschiene ausgeübt wird. Die fixierenden Elemente enthalten bevorzugt zumindest ein Metall oder eine Legierung, beispielsweise Stahl, können aber auch ein Polymer enthalten. Geeignete fixierende Elemente sind beispielsweise Starlock®- Halteringe. Es können aber auch anders ausgestaltete fixierende Elemente verwendet werden, die sich in Einbaulage nicht von den Befestigungselementen lösen.
Prinzipiell kann die Kontaktierungsschiene durch ein Befestigungselement mit aufgestecktem fixierenden Element an die Oberfläche des Substrats angeklemmt werden. Beispielsweise kann eine plan ausgeformte Kontaktierungsschiene mit einem einzelnen Befestigungselement an ein gekrümmtes polymeres Substrat angeklemmt werden. Die elastische Kontaktierungsschiene wird durch das Anklemmen an das gekrümmte Substrat gebogen. Die Elastizität der Kontaktierungsschiene führt zu einer Anpresskraft der Kontaktierungsschiene an das polymere Substrat. Dadurch wird eine dauerhaft stabile elektrische Kontaktierung der Leiterbahn bereitgestellt.
Bevorzugt wird die Kontaktierungsschiene durch zumindest zwei Befestigungselemente mit aufgesteckten fixierenden Elementen an die Oberfläche des Substrats angeklemmt. Dadurch wird die Stabilität der elektrischen Kontaktierung der Leiterbahn vorteilhaft erhöht. Besonders bevorzugt sind mehrere Befestigungselemente entlang der Länge der Kontaktierungsschiene angeordnet. Es können auch mehrere Reihen von Befestigungselementen entlang der Länge der Kontaktierungsschiene angeordnet sein. Der Abstand zweier benachbarter Befestigungselemente beträgt bevorzugt von 1 cm bis 15 cm, beispielsweise 10 cm. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine stabile Klemmverbindung zwischen Substrat und Kontaktierungsschiene. Die elektrische Verbindung zwischen dem externen elektrischen System und der Leiterbahn erfolgt erfindungsgemäß über die elektrisch leitfähige Kontaktierungsschiene. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen der Oberfläche des Substrats und der Leiterbahn im Bereich der Kontaktierungsschiene und / oder zwischen der Kontaktierungsschiene und der Leiterbahn eine zusätzliche Stromsammeischiene angeordnet. Der besondere Vorteil der Stromsammeischiene oder der Stromsammeischienen liegt in einer verbesserten elektrischen Kontaktierung, insbesondere wenn mehrere Leiterbahnen mit der Kontaktierungsschiene elektrisch verbunden sind.
Die Stromsammeischienen enthalten bevorzugt Wolfram, Kupfer, Nickel, Mangan, Aluminium, Silber, Chrom, Zinn und / oder Eisen, sowie Gemische und / oder Legierungen davon, besonders bevorzugt Wolfram und / oder Kupfer. Die Stromsammeischienen weisen bevorzugt eine Dicke von 10 μιη bis 200 μιη, besonders bevorzugt von 50 μιη bis 100 μιη auf. Die Breite einer Stromsammeischiene, entlang derer die Stromsammeischiene mit der Leiterbahn verbunden ist, beträgt bevorzugt von 2 mm bis 100 mm, besonders bevorzugt von 5 mm bis 20 mm. Die Länge der Stromsammeischienen kann breit variieren und so hervorragend den Erfordernissen im Einzelfall angepasst werden. Werden mehrere parallel verlaufende Leiterbahnen kontaktiert, so ergibt sich die minimale Länge der Stromsammeischienen aus der Anzahl der Leiterbahnen und dem Abstand von benachbarten Leiterbahnen. Die Länge der Stromsammeischienen beträgt beispielsweise von 5 cm bis 50 cm.
Die Stromsammeischienen sind bevorzugt mit Nickel, Zinn, Kupfer und / oder Silber beschichtet. Die Schichtdicke beträgt bevorzugt von 0, 1 μιη bis 20 μιη, besonders bevorzugt von 6 μιη bis 12 μιη. Der besondere Vorteil der Beschichtung liegt in einer gesteigerten Stromtragfähigkeit und Korrosionsstabilität der Stromsammeischienen.
Eine Stromsammeischiene zwischen Oberfläche des Substrats und Leiterbahn im Bereich der Kontaktierungsschiene wird bevorzugt mit einem doppelseitigen Klebeband oder einem Klebstoff auf dem Substrat befestigt. Das elektrische Verbinden von Stromsammeischiene, Leiterbahn und Kontaktierungsschiene wird dadurch vorteilhaft erleichtert und die Stromsammeischiene ist dauerhaft auf der Oberfläche des Substrats fixiert.
Ist zwischen der Oberfläche des Substrats und der Leiterbahn im Bereich der Kontaktierungsschiene und zwischen der Kontaktierungsschiene und der Leiterbahn jeweils eine Stromsammeischiene angeordnet, so können die beiden Stromsammeischienen mittels Lotmasse miteinander verbunden werden. Die Leiterbahn ist dann in der Lotmasse eingebettet, was vorteilhaft eine verbesserte und stabilere elektrische Kontaktierung bewirkt, auch dann, wenn die Leiterbahn selbst nicht lötbar ist. Dabei wird bevorzugt eine bleifreie Lotmasse verwendet, weil aufgrund der Altauto-Richtlinie 2000/53/EG innerhalb der EG bleihaltige Lote durch bleifreie Lote ersetzt werden müssen. Die Lotmasse enthält bevorzugt Zinn und Wismut, Indium, Zink, Kupfer, Silber oder Zusammensetzungen davon. Der Anteil an Zinn in der Lotzusammensetzung beträgt von 3 Gew.-% bis 99,5 Gew.-%, bevorzugt von 10 Gew.-% bis 95,5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 15 Gew.-% bis 60 Gew.-%. Der Anteil an Wismut, Indium, Zink, Kupfer, Silber oder Zusammensetzungen davon beträgt in der Lotzusammensetzung von 0,5 Gew.-% bis 97 Gew.-%, bevorzugt 10 Gew.-% bis 67 Gew.-%, wobei der jeweilige Anteil an Wismut, Indium, Zink, Kupfer oder Silber 0 Gew.-% betragen kann. Die Lotzusammensetzung kann Nickel, Germanium, Aluminium oder Phosphor mit einem Anteil von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% enthalten. Die Lotzusammensetzung enthält ganz besonders bevorzugt Bi40Sn57Ag3, Sn40Bi57Ag3, Bi59Sn40Ag1 , Bi57Sn42Ag1 , ln97Ag3, Sn95,5Ag3,8Cu0,7, Bi67ln33, Bi33ln50Sn17, Sn77,2ln20Ag2,8, Sn95Ag4Cu1 , Sn99Cu1 , Sn96,5Ag3,5 oder Gemische davon.
Die Leiterbahn wird in einer bevorzugten Ausführung mittels Ultraschall-Einbettung auf das polymere Substrat aufgebracht. Dabei wird eine Sonotrode bevorzugt mittels eines mehrachsigen Roboters und eines kraftgesteuerten Werkzeugausgleichs über die Innenseite des polymeren Substrats geführt. Der kraftgesteuerte Werkzeugausgleich ermöglicht die Anpassung der Position der Sonotrode an die dreidimensionale Geometrie des polymeren Substrats. Die Sonotrode überträgt von einem Ultraschall-Generator erzeugte, hochfrequente mechanische Schwingungen (Ultraschall) auf das polymere Substrat. Dabei wird Wärme erzeugt und eine Oberflächenschicht der Innenseite des polymeren Substrats angeschmolzen. Die Leiterbahn wird in die angeschmolzene Oberflächenschicht eingebracht. Dazu führt die Sonotrode einen Draht an ihrer Spitze, wobei der Draht über eine Drahtrolle nahe der Sonotrode kontinuierlich nachgespeist wird. Ein als Sonotrode geeignetes Werkzeug ist beispielsweise aus US 6,023,837 A bekannt.
Die Eindringtiefe der Leiterbahn in das polymere Substrat beträgt bevorzugt von 50 % bis 90 %, besonders bevorzugt von 60 % bis 75 % der Dicke der Leiterbahn. Das unkomplizierte Aufbringen der Leiterbahn mittels Ultraschall-Einbettung ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine stabile Verbindung zwischen Leiterbahn und polymerem Substrat.
Zumindest ein Abschnitt der Leiterbahn ist in das polymere Substrat eingebettet. Die Leiterbahn kann entlang ihrer gesamten Länge in das polymere Substrat eingebettet sein. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine stabile Verbindung zwischen dem polymeren Substrat und der Leiterbahn.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zur elektrischen Kontaktierung mit der Kontaktierungsschiene vorgesehene Bereich der Leiterbahn nicht in das polymere Substrat eingebettet. In diesem Fall kann zwischen der Leiterbahn im Bereich der Kontaktierungsschiene und dem polymeren Substrat eine zusätzliche Stromsammeischiene angeordnet sein.
Die Leiterbahn kann aber auch durch andere Verfahren auf das polymere Substrat aufgebracht werden. Die Leiterbahn kann prinzipiell mit allen dem Fachmann bekannten Verfahren auf das polymere Substrat aufgebracht werden, solange der zur Kontaktierung mit der Kontaktierungsschiene vorgesehene Teilbereich aus der Oberfläche des polymeren Substrats herausragt. Die Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktierung mittels der Kontaktierungsschiene unabhängig von der Aufbringung der Leiterbahnen ist ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik. Die Leiterbahn kann beispielsweise nach Erwärmen des polymeren Substrats in die Oberfläche des polymeren Substrats eingepresst werden, wie es beispielsweise in DE 35 06 01 1 A1 beschrieben ist. Die Leiterbahn kann auch auf eine polymere Trägerfolie aufgebracht werden, welche dann mit dem polymeren Substrat verklebt wird. Soll die Leiterbahn dabei zwischen der Trägerfolie und dem polymeren Substrat eingebettet werden, so muss zumindest ein Ende der Leiterbahn über die Kante der Trägerfolie herausragen, um nach dem Verkleben der Trägerfolie mit dem Substrat für die Kontaktierung zugänglich zu sein.
Die Leiterbahn enthält zumindest ein Metall, bevorzugt Wolfram, Kupfer, Nickel, Mangan, Aluminium, Silber, Chrom und / oder Eisen, sowie Gemische und / oder Legierungen davon. Die Leiterbahn enthält besonders bevorzugt Wolfram und / oder Kupfer. Damit werden besonders gute Ergebnisse erzielt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Scheibe eine beheizbare Scheibe. Dabei ist die Leiterbahn mit zwei erfindungsgemäßen Kontaktierungsschienen elektrisch leitend verbunden. Bevorzugt sind zumindest zwei, typischerweise mehrere Leiterbahnen mit den beiden Kontaktierungsschienen verbunden. Beim Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Kontaktierungsschienen fließt Strom durch jede der Leiterbahnen. Dadurch erwärmen sich die Leiterbahnen, die somit eine aktive Beheizung der polymeren Scheibe ermöglichen.
Durch die beiden Kontaktierungsschienen wird vorteilhaft eine stabile elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen bereitgestellt. Jede Leiterbahn ist mit beiden Kontaktierungsschienen elektrisch verbunden und wird unabhängig von den übrigen Leiterbahnen mit Spannung versorgt. Die Beschädigung einer Leiterbahn führt somit vorteilhaft nicht zu einem kompletten Ausfall der aktiven Beheizung der Scheibe.
Die Dicke der Leiterbahnen beträgt bevorzugt von 10 μιη bis 300 μιη, besonders bevorzugt von 25 μιη bis 150 μιη. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Transparenz der polymeren Scheibe, die eingebrachte Heizleistung und die Vermeidung von Kurzschlüssen.
Die Leiterbahnen verlaufen bevorzugt geradlinig zwischen den beiden Kontaktierungsschienen. Die Leiterbahnen können aber auch beispielsweise wellenartig, mäanderartig oder in Form eines Zick-Zack-Musters zwischen den beiden Kontaktierungsschienen verlaufen. Der Abstand zweier benachbarter Leiterbahnen ist bevorzugt über die gesamte Länge der Leiterbahnen konstant. Der Abstand zweier benachbarter Leiterbahnen kann sich aber auch im Verlauf zwischen den beiden Kontaktierungsschienen ändern.
Die Leiterbahnen können in jeder beliebigen Richtung verlaufen, bevorzugt horizontal oder vertikal.
Der Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen beträgt bevorzugt von 5 mm bis 30 mm, besonders bevorzugt 6 mm bis 20 mm. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Transparenz der polymeren Scheibe und die Verteilung der über die Leiterbahnen eingebrachten Heizleistung. Die Länge der Leiterbahnen kann breit variieren und so leicht den Erfordernissen im Einzelfall angepasst werden. Die Leiterbahnen weisen beispielsweise Längen von 5 cm bis 150 cm auf. Benachbarte Leiterbahnen können auf der von der anderen Kontaktierungsschiene abgewandten Seite einer Kontaktierungsschiene miteinander verbunden sein. Die Leiterbahnen können so in Form eines einzigen Heizdrahtes auf das polymere Substrat aufgebracht werden, wobei der Heizdraht nach dem Aufbringen zwei oder mehr Abschnitte umfasst, die als Leiterbahnen vorgesehen und die schleifenartig miteinander verbunden sind. Jeder als Leiterbahn vorgesehene Abschnitt des Heizdrahtes wird im Bereich eines Endes mit der ersten Kontaktierungsschiene und im Bereich des anderen Endes mit der zweiten Kontaktierungsschiene verbunden. Jeder Abschnitt des Heizdrahtes im Bereich der Kontaktierungsschienen und zwischen den Kontaktierungsschienen bildet eine Leiterbahn aus.
Alternativ können benachbarte Leiterbahnen auf der von der anderen Kontaktierungsschiene abgewandten Seite einer Kontaktierungsschiene nicht miteinander verbunden sein. Die Leiterbahnen werden so in Form mehrere Heizdrähte auf das polymere Substrat aufgebracht, wobei jeder Heizdraht im Bereich eines Endes mit der ersten Kontaktierungsschiene und im Bereich des anderen Endes mit der zweiten Kontaktierungsschiene verbunden wird. Jeder Heizdraht umfasst eine Leiterbahn im Bereich der Kontaktierungsschienen und zwischen den Kontaktierungsschienen.
Es können auch mehr als zwei Kontaktierungsschienen auf dem polymeren Substrat angeordnet sein. So können beispielsweise mehrere voneinander unabhängige Heizfelder realisiert werden. Beispielsweise kann ein Teil der Leiterbahnen, welcher ein erstes Heizfeld ausbildet, mit einer ersten und einer zweiten Kontaktierungsschiene und ein weiterer Teil der Leiterbahnen, welcher ein zweites Heizfeld ausbildet, mit einer dritten und einer vierten Kontaktierungsschiene verbunden sein. Zwei voneinander unabhängige Heizfelder können beispielsweise auch dadurch realisiert werden, dass alle Leiterbahnen mit einer ersten Kontaktierungsschiene verbunden sind. Ein Teil der Leiterbahnen, welcher ein erstes Heizfeld ausbildet, ist zusätzlich mit einer zweiten Kontaktierungsschiene verbunden und ein weiterer Teil der Leiterbahnen, welcher ein zweites Heizfeld ausbildet, ist zusätzlich mit einer dritten Kontaktierungsschiene verbunden. Natürlich können auch mehr als zwei voneinander unabhängige Heizfelder erfindungsgemäß realisiert werden.
Das polymere Substrat ist bevorzugt plan oder leicht oder stark in einer Richtung oder in mehreren Richtungen des Raumes gebogen. Das polymere Substrat ist bevorzugt zumindest bereichsweise transparent. Das polymere Substrat kann farblos, gefärbt oder getönt sein. Das polymere Substrat kann klar oder trüb sein.
Das polymere Substrat enthält bevorzugt zumindest Polyethylen (PE), Polycarbonate (PC), Polypropylen (PP), Polystyrol, Polybutadien, Polynitrile, Polyester, Polyurethane, Polymethylmethacrylate, Polyacrylate, Polyester, Polyamide, Polyethylenterephthalat (PET), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Styrol-Acrylnitril (SAN), Acrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), Acrylnitril-Butadien-Styrol - Polycarbonat (ABS/PC) und / oder Copolymere oder Gemische davon.
Das polymere Substrat enthält besonders bevorzugt Polycarbonate (PC), Polyethylenterephthalat (PET) und / oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Transparenz, die Verarbeitung, die Festigkeit, die Witterungsbeständigkeit und die chemische Beständigkeit des polymeren Substrats.
Das polymere Substrat weist bevorzugt ein Dicke von 1 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 3 mm bis 5 mm auf. Das ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Festigkeit und die Verarbeitung des polymeren Substrats. Die Größe des polymeren Grundkörpers kann breit variieren und richtet sich nach der erfindungsgemäßen Verwendung. Bevorzugt weist das polymere Substrat eine Fläche von 100 cm2 bis 3 m2, beispielsweise 1 ,5 m2 auf, was für Scheiben von Fahrzeugen und im Bau- und Architekturbereich üblich ist.
Aus ästhetischen Gründen kann es gewünscht sein, dass die elektrische Kontaktierung der Leiterbahn mittels der Kontaktierungsschiene durch das polymere Substrat hindurch nicht sichtbar ist. Dazu kann beispielsweise das polymere Substrat im Bereich der Kontaktierungsschiene gefärbt oder geschwärzt werden. Das polymere Substrat kann auch beispielsweise durch Mehrkomponenten-Spritzgießen hergestellt werden, wobei das polymere Substrat in dem Bereich, auf dem die Kontaktierungsschiene angeordnet werden soll, eine opake Komponente umfasst, welche die Sicht auf die elektrische Kontaktierung durch das polymere Substrat hindurch verdeckt. Die opake Komponente des polymeren Substrats enthält bevorzugt zumindest ein Farbmittel. Durch das Farbmittel wird die Opazität der Komponente erreicht. Das Farbmittel kann anorganische und / oder organische Farbstoffe und / oder Pigmente enthalten. Das Farbmittel kann bunt oder unbunt sein. Geeignete Farbmittel sind dem Fachmann bekannt und können beispielsweise im Colour Index der British Society of Dyers and Colourists und der American Association of Textile Chemists and Colorists nachgeschlagen werden. Bevorzugt wird ein Schwarz-Pigment als Farbmittel verwendet, beispielsweise Pigmentruß (Carbon Black), Anilinschwarz, Beinschwarz, Eisenoxidschwarz, Spinellschwarz und / oder Graphit. Dadurch wird eine schwarze opake Komponente erreicht.
Alternativ können Abdecksiebdrucke auf einer Oberfläche des polymeren Substrats aufgebracht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird auf die von den Kontaktierungsschienen abgewandte Oberfläche des polymeren Susbtrats eine Schutzbeschichtung aufgebracht, um die erfindungsgemäße Scheibe vor Umwelteinflüssen zu schützen. Bevorzugt werden thermisch härtende oder UV-härtende Lacksysteme auf Basis von Polysiloxanen, Polyacrylaten, Polymethacrylaten und / oder Polyurethanen verwendet. Die Schutzbeschichtung hat bevorzugt eine Schichtdicke von 1 μιη bis 50 μιη, besonders bevorzugt von 2 μιη bis 25 μιη. Der besondere Vorteil liegt in der erhöhten Kratzbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit des polymeren Substrats durch die Schutzbeschichtung.
Die Schutzbeschichtung kann neben farbgebenden Verbindungen und Pigmenten auch UV- Blocker, Konservierungsstoffe sowie Komponenten zur Erhöhung der Kratzfestigkeit, beispielsweise Nanopartikel enthalten.
Die Schutzbeschichtung kann beispielsweise durch ein Tauch-, Flut-, oder Sprühverfahren auf das polymere Substrat aufgebracht werden. Die Schutzbeschichtung wird nach dem Aufbringen bevorzugt über Temperatur und / oder UV-Licht-Eintrag ausgehärtet.
Als Schutzbeschichtung geeignete Produkte sind beispielsweise das AS4000, das AS4700, das PHC587 oder das UVHC300, die von der Firma Momentive bereitgestellt werden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird weiter erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer polymeren Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur gelöst, wobei zumindest:
a) ein polymeres Substrat, welches an einer Oberfläche mindestens ein einstückig mit dem polymeren Substrat ausgebildetes Befestigungselement enthält, bereitgestellt wird, b) mindestens eine Leiterbahn an der Oberfläche des Substrats angebracht wird und c) mindestens eine Kontaktierungsschiene im Bereich der Leiterbahn mittels des Befestigungselements an die Oberfläche des Substrats angeklemmt wird.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die Leiterbahn mittels Ultraschalleinbettung an der Oberfläche des Substrats angebracht. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird vor dem Anbringen der Leiterbahn eine Stromsammeischiene auf der Oberfläche des Substrats angebracht, bevorzugt aufgeklebt. Die Stromsammeischiene wird dabei in dem Bereich der Oberfläche des Substrats positioniert, der zur Anklemmung der Kontaktierungsschiene vorgesehen ist. Eine Sonotrode zur Ultraschalleinbettung der Leiterbahn kann über die Stromsammeischiene hinweg geführt werden, so dass die Leiterbahn beidseitig der Stromsammeischiene in die Oberfläche des polymeren Substrats eingebettet wird.
Die polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur wird bevorzugt als Scheibe oder als Bestandteil einer Scheibe von Fortbewegungsmitteln für den Verkehr auf dem Lande, in der Luft oder zu Wasser verwendet, insbesondere als Heck-, Windschutz-, Seiten-, Dachscheibe, Leuchtenabdeckung und / oder Spoiler von Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen. Die polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur kann auch in funktionalen und / oder dekorativen Einzelstücken oder als Einbauteil in Möbeln und Geräten verwendet werden. Die polymere Scheibe wird insbesondere als Scheibe mit Heiz- und/oder Antennenfunktion verwendet, wobei die erfindungsgemäße Leiterbahn beziehungsweise die erfindungsgemäßen Leiterbahnen als Heizleiter und/oder als Antennenleiter verwendet werden. Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe, Fig. 2 eine Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe, Fig. 3 einen Schnitt entlang A-A' durch die Scheibe gemäß Figur 1 ,
Fig. 4 einen Schnitt entlang A-A' durch die Scheibe gemäß Figur 1 vor dem Anklemmen der Kontaktierungsschiene,
Fig. 5 einen Schnitt entlang A-A' durch eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe,
Fig. 6 einen Schnitt entlang B-B' durch die Scheibe gemäß Figur 1 ,
Fig. 7 einen Schnitt entlang B-B' durch eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe,
Fig. 8 einen Schnitt entlang C-C durch die Scheibe gemäß Figur 2,
Fig. 9 einen Schnitt entlang C-C durch eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Scheibe und
Fig. 10 ein detailliertes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung einer polymeren Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur.
Fig. 1 , Fig. 3 und Fig. 6 zeigen je ein Detail einer erfindungsgemäßen polymeren Scheibe (I) mit elektrisch leitfähiger Struktur. Die polymere Scheibe (I) ist als beheizbare Scheibe vorgesehen. Die polymere Scheibe (I) enthält ein polymeres Substrat 1. Das polymere Substrat 1 enthält Polycarbonat (PC) und weist eine Dicke von 4 mm auf. Auf einer Oberfläche 12 des polymeren Substrats sind acht Leiterbahnen 2 angeordnet. Die Leiterbahnen 2 sind parallel zueinander und horizontal angeordnet. Die Leiterbahnen 2 enthalten Wolfram und weisen eine Dicke von 70 μιη auf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen 2 beträgt 15 mm. Die Leiterbahnen 2 sind mittels Ultraschall- Einbettung auf ihrer gesamten Länge in das polymere Substrat 1 eingebettet, wobei die Eindringtiefe etwa 40 μιη beträgt. Die polymere Scheibe (I) enthält weiter zwei Kontaktierungsschienen 3. Der erste Endbereich jeder Leiterbahn 2 ist mit der ersten Kontaktierungsschiene 3 und der zweite Endbereich jeder Leiterbahn 2 ist mit der zweiten Kontaktierungsschiene 3 elektrisch verbunden. Die Endbereiche der Leiterbahnen 2 sind dabei zwischen polymerem Substrat 1 und Kontaktierungsschiene 3 angeordnet. Die Leiterbahnen 2 sind Abschnitte eines einzigen Heizdrahtes, der in schleifenartig miteinander verbundenen geraden Abschnitten auf das polymere Substrat 1 aufgebracht ist. Benachbarte Leiterbahnen 2 sind somit durch einen Bereich des Heizdrahtes miteinander verbunden, wobei die Verbindung alternierend auf der von der ersten Kontaktierungsschiene 3 abgewandten Seite der zweiten Kontaktierungsschiene 3 und auf der von der zweiten Kontaktierungsschiene 3 abgewandten Seite der ersten Kontaktierungsschiene 3 erfolgt.
Die Kontaktierungsschienen 3 enthalten Edelstahl. Der zur Anklemmung an die Oberfläche 12 des polymeren Substrats 1 vorgesehene Bereich jeder Kontaktierungsschiene 3 weist eine rechteckige Grundfläche mit einer Breite von 15 mm und einer Länge von 80 mm auf. Die Dicke der Kontaktierungsschiene beträgt 1 ,5 mm.
Die polymere Scheibe (I) enthält weiter Befestigungselemente 4, welche einstückig mit dem polymeren Substrat 1 ausgeformt sind. Die Befestigungselemente 4 sind als Haken ausgestaltet. Umlaufend um jede Kontaktierungsschiene 3 sind sechs Befestigungselemente 4 angeordnet. Durch die Befestigungselemente 4 ist jede Kontaktierungsschiene 3 dauerhaft stabil an die Oberfläche 12 des polymeren Substrats 1 angeklemmt. Die Kontaktierungsschienen 3 werden dadurch gegen die Leiterbahnen 2 gepresst, wodurch eine dauerhaft stabile elektrische Verbindung zwischen den Kontaktierungsschienen 3 und den Leiterbahnen 2 bereitgestellt wird. Durch die angeklemmten Kontaktierungsschienen 3 wird eine einfache elektrische Kontaktierung der Leitbahnen 2 bereitgestellt, wobei keine aufwendigen zusätzlichen Arbeitsschritte wie Löten oder Schweißen erforderlich sind und wobei eine deutlich stabilere Verbindung erreicht wird als beispielsweise mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers.
Jede Kontaktierungsschiene 3 umfasst einen Anschlussbereich 5, der zur Verbindung mit einer externen, nicht dargestellten Spannungsquelle vorgesehen ist. Der Anschlussbereich 5 ist an die von der anderen Kontaktierungsschiene 3 abgewandte Längskante des zur Anklemmung an die Oberfläche 12 des polymeren Substrats 1 vorgesehenen rechteckigen Bereichs angesetzt und seitlich davon angeordnet. Der Anschlussbereich 5 ist als normgerechter Flachsteckverbinder ausgestaltet, auf welche die Kupplung eines nicht dargestellten Verbindungskabels zur Spannungsversorgung aufgesteckt werden kann. Die Kontaktierungsschiene 3 stellt somit vorteilhaft eine Schnittstelle zur externen Spannungsversorgung bereit, so dass weitere Arbeitsschritte wie beispielsweise das Verlöten der Kontaktierungsschiene 3 mit einem elektrischen Anschlusselement nicht notwendig sind. Beim Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Kontaktierungsschienen 3 fließt Strom durch jede Leiterbahn 2. Die dabei erzeugte Wärme ermöglicht eine aktive Beheizung der polymeren Scheibe (I). Durch die voneinander unabhängige elektrische Kontaktierung der einzelnen Leiterbahnen 2 führt die Beschädigung einer Leiterbahn 2 vorteilhaft nicht zu einem kompletten Ausfall der Beheizung der polymeren Scheibe.
Fig. 2 und Fig. 8 zeigen je ein Detail einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen polymeren Scheibe (I). Auf der Oberfläche 12 des polymeren Substrats 1 sind sechs Heizdrähte als Leiterbahnen 2 angeordnet. In den Bereichen der elektrischen Kontaktierung sind die Leiterbahnen 2 nicht in das polymere Substrat 1 eingebettet. Zwischen jeder Kontaktierungsschiene 3 und den Leiterbahnen 2 ist eine zusätzliche Stromsammeischiene 6 angeordnet. Im Bereich jeder Kontaktierungsschiene 3 ist eine weitere Stromsammeischiene 6 zwischen der Oberfläche 12 des Substrats 1 und den Leiterbahnen 2 angeordnet. Die Stromsammeischienen 6 enthalten Kupfer und weisen eine Dicke von 100 μιη auf. Die Stromsammeischienen 6 sind verzinnt. Die Länge und Breite der Stromsammeischienen 6 entspricht der Länge und Breite der Kontaktierungsschienen 3 Durch die Stromsammeischienen 6 wird die elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 2 weiter verbessert. Die Stromsammeischienen 6 zwischen der Oberfläche des Substrats 1 und den Leiterbahnen 2 sind durch ein doppelseitiges Klebeband 9 auf dem Substrat 1 fixiert.
Jede Kontaktierungsschiene 3 ist mittels dreier Befestigungselemente 4 an die Oberfläche 12 des polymeren Substrats 1 angeklemmt. Die Befestigungselemente 4 sind als Stifte ausgestaltet. Die Befestigungselemente 4 weisen eine kreisförmige Querschnittsfläche parallel zur Oberfläche 12 des Substrats 1 auf mit einem Durchmesser von 5 mm. Die Kontaktierungsschienen 3 und die Stromsammeischienen 6 weisen kreisförmige Löcher auf, durch die die Befestigungselemente 4 geführt sind. Auf jedes Befestigungselement 4 ist auf der vom Substrat 1 abgewandten Seite der Kontaktierungsschienen 3 ein fixierendes Element 8 aufgesteckt. Das fixierende Element 8 ist beispielsweise ein StarlockO-Haltering (Round shaft, Artikelnummer 8153), der sich nach dem Aufstecken nicht mehr von dem Befestigungselement 4 lösen lässt. Durch die Befestigungselemente 4 mit den fixierenden Elementen 8 ist jede Kontaktierungsschiene 3 dauerhaft stabil an die Oberfläche 12 des Substrats 1 angeklemmt. Die Kontaktierungsschienen 3 werden dadurch gegen die Leiterbahnen 2 gepresst, wodurch eine dauerhaft stabile elektrische Verbindung zwischen den Kontaktierungsschienen 3 und den Leiterbahnen 2 bereitgestellt wird.
Der Anschlussbereich 5 jeder Kontaktierungsschiene 3 ist an einer Querkante des zur Anklemmung an die Oberfläche 12 des polymeren Substrats 1 vorgesehenen rechteckigen Bereichs angesetzt.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang A-A' durch die erfindungsgemäße polymere Scheibe (I) gemäß Figur 1. Zu sehen ist das polymere Substrat 1 , darin eingebettete Leiterbahnen 2, eine Kontaktierungsschiene 3, die einstückig mit dem Substrat 1 ausgeformten Befestigungselemente 4 sowie der Bereich 5 der Kontaktierungsschiene 3, der zur Verbindung mit einer externen Spannungsquelle vorgesehen ist.
Fig. 4 zeigt die polymere Scheibe (I) aus Figur 3 vor dem Anklemmen der Kontaktierungsschiene 3 an das Substrats 1. Die Kontaktierungsschiene 3 ist entlang ihrer Länge gebogen, so dass ihre Enden vom Substrat weg weisen. Die Kontaktierungsschiene 3 ist dadurch mit einer Vorspannung versehen, die infolge der erfindungsgemäßen Elastizität der Kontaktierungsschiene 3 nach dem Anklemmen erhalten bleibt. Durch die Vorspannung wird die Anpresskraft der Kontaktierungsschiene 3 erhöht und die Stabilität der elektrischen Kontaktierung vorteilhaft gesteigert.
Zum Anklemmen wird die Kontaktierungsschiene 3 zwischen den Befestigungselementen 4 an die Oberfläche 12 des Substrats 1 angepresst. Dadurch werden die Befestigungselemente 4 vorübergehend von der Kontaktierungsschiene 3 weggebogen.
Fig. 5 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 3 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen polymeren Scheibe (I). In den Bereichen der elektrischen Kontaktierung sind die Leiterbahnen 2 nicht in das polymere Substrat 1 eingebettet. Im Bereich jeder Kontaktierungsschiene 3 ist eine Stromsammeischiene 6 zwischen der Oberfläche 12 des Substrats 1 und den Leiterbahnen 2 angeordnet. Durch die Stromsammeischienen 6 wird die elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 2 weiter verbessert. Die Stromsammeischienen 6 sind durch ein doppelseitiges Klebeband 9 auf dem Substrat 1 fixiert. Ein erster Teilbereich der hakenförmigen Befestigungselemente 4 ist etwa lotrecht zur Oberfläche 12 des Substrats 1 angeordnet ist. An den ersten Teilbereich ist ein zweiter Teilbereich angeschlossen, der sich in Richtung der Kontaktierungsschiene 3 erstreckt und an der vom Substrat 1 abgewandten Seite der Kontaktierungsschiene 3 angeordnet ist. Die beiden Teilbereiche des Befestigungselementes 4 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Winkel von etwa 30° zueinander angeordnet. Dadurch wird eine Flexibilität des zweiten Teilbereichs erreicht, was das Anbringen der Kontaktierungsschiene 3 vorteilhaft erleichtert.
Die Kontaktierungsschiene 3 ist mit einer silberhaltigen Beschichtung 10 versehen, deren Schichtdicke 10 μιη beträgt. Dadurch wird die Stromtragfähigkeit und die Korrosionsstabilität der Kontaktierungsschiene 3 vorteilhaft erhöht.
Auf der von den Kontaktierungsschienen 3 abgewandten Oberfläche des polymeren Substrats 1 ist eine Schutzbeschichtung 1 1 aufgebracht. Die Schutzbeschichtung 1 1 enthält einen thermisch härtenden Lack auf Basis von Polysiloxan und weist eine Schichtdicke von 15 μιη auf. Durch die Schutzbeschichtung 1 1 wird das polymere Substrat 1 vorteilhaft vor Umwelteinflüssen wie Witterung und mechanischer Einwirkung geschützt.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang B-B' durch die erfindungsgemäße polymere Scheibe (I) gemäß Figur 1. Zu sehen ist das polymere Substrat 1 , eine darin eingebettete Leiterbahn 2, die Kontaktierungsschienen 3, die einstückig mit dem Substrat 1 ausgeformten Befestigungselemente 4 sowie der Bereich 5 der Kontaktierungsschiene 3, der zur Verbindung mit einer externen Spannungsquelle vorgesehen ist.
Fig. 7 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 6 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen polymeren Scheibe (I). Der Anschlussbereich 5 jeder Kontaktierungsschiene 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel oberhalb der Kontaktierungsschiene 3 angeordnet. In jede Kontaktierungsschiene 3 ist ein Profil eingeprägt. Die zum Substrat hingewandte Oberfläche der Kontaktierungsschienen 3 weist dadurch zwei Erhöhungen auf, die im Querschnitt das Profil eines Kreissegments aufweisen und die sich entlang der Länge der Kontaktierungsschiene 3 erstrecken. Die Leiterbahnen 2 stehen über einem Bereich jeder Erhöhung mit den Kontaktierungsschienen 3 in Kontakt. Dadurch wird der Druck, den die angeklemmte Kontaktierungsschiene 3 auf die Leiterbahnen 2 ausübt, erhöht und die Stabilität der elektrischen Kontaktierung vorteilhaft erhöht.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt entlang C-C durch die erfindungsgemäße polymere Scheibe (I) gemäß Figur 2. Zu sehen ist das polymere Substrat 1 , die Leiterbahnen 2, eine Kontaktierungsschiene 3 mit dem zur Verbindung mit einer externen Spannungsquelle vorgesehenen Bereich 5, die Stromsammeischienen 6 sowie die einstückig mit dem Substrat 1 ausgeformten Befestigungselemente 4 mit den fixierenden Elementen 8.
Fig. 9 zeigt in Fortführung des Ausführungsbeispiels der Figuren 2 und 8 eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen polymeren Scheibe (I). Die beiden im Bereich einer Kontaktierungsschiene 3 angeordneten Stromsammeischienen 6 sind mittels einer Lotmasse 7 miteinander verbunden. Die Lotmasse 7 enthält 57 Gew.-% Wismut, 42 Gew.-% Zinn und 1 Gew.-% Silber. Obwohl die Wolfram enthaltenden Leiterbahnen 2 selbst nicht lötbar sind, sind die Leiterbahnen 2 in der Lotmasse 7 eingebettet. Dadurch wird vorteilhaft eine verbesserte und stabilere elektrische Kontaktierung erreicht.
Fig. 10 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer polymeren Scheibe (I) mit elektrisch leitfähiger Struktur.
Es wurden Testproben der erfindungsgemäßen polymeren Scheibe (I) mit elektrisch leitfähiger Struktur hergestellt. Die polymeren Substrate 1 wurden durch Spritzgießen mit den Befestigungselementen 4 hergestellt. Es wurden dabei Befestigungselemente 4 gemäß der Figur 1 und der Figur 2 verwendet. Anschließend wurden mittels Ultraschall-Einbettung Leiterbahnen 2 in die Oberfläche 12 des Substrats 1 eingebettet. Zwei Kontaktierungsschienen 3 wurden mittels der Befestigungselemente 4 an die Oberfläche 12 des Substrats 1 angeklemmt und dabei mit den Leiterbahnen 2 kontaktiert. Durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den Kontaktierungsschienen 3 wurde die aktive Beheizung der polymeren Scheibe (I) ermöglicht.
Durch die einstückig mit dem polymeren Substrat 1 ausgebildeten Befestigungselemente 4 konnten die Kontaktierungsschienen 3 einfach an die polymeren Substrate 1 angeklemmt werden. Die Verbindung zwischen Substrat 1 und Kontaktierungsschiene 3 war dauerhaft stabil. Dadurch wurde auch eine dauerhaft stabile elektrische Verbindung zwischen den Kontaktierungsschienen 3 und den Leiterbahnen 2 erreicht. Die erfindungsgemäß kontaktierten Leiterbahnen 2 ermöglichten die Entfernung von kondensierter Luftfeuchtigkeit und Eis von der polymeren Scheibe innerhalb kurzer Zeit. Durch die elektrische Kontaktierung jeder Leiterbahn 2 mittels der Kontaktierungsschienen 3 führte auch eine absichtlich hervorgerufene Beschädigung einer einzelnen Leiterbahn 2 nicht zum kompletten Ausfall der Heizwirkung.
Es war für den Fachmann unerwartet und überraschend, dass auf einfache Weise eine stabile und leicht anzubringende elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 2 erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste
(I) polymere Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur
(1 ) polymeres Substrat
(2) Leiterbahn
(3) Kontaktierungsschiene
(4) Befestigungselement
(5) Anschlussbereich von (3)
(6) Stromsammeischiene
(7) Lotmasse
(8) fixierendes Element
(9) doppelseitiges Klebeband
(10) Beschichtung von (3)
(1 1 ) Schutzbeschichtung von (1 )
(12) Oberfläche von (1 )
A-A' Schnittlinie
B-B' Schnittlinie
C-C Schnittlinie

Claims

Patentansprüche
1. Eine polymere Scheibe (I) mit elektrisch leitfähiger Struktur, umfassend:
- ein polymeres Substrat (1 ) mit mindestens einer Leiterbahn (2) auf einer Oberfläche (12) des polymeren Substrats (1 ),
- mindestens eine elektrisch leitfähige, elastische Kontaktierungsschiene (3), die mit einem zwischen dem polymeren Substrat (1 ) und der Kontaktierungsschiene (3) angeordneten Teilbereich der Leiterbahn (2) elektrisch verbunden ist, und
- mindestens ein Befestigungselement (4), mit dem die Kontaktierungsschiene (3) an die Oberfläche (12) des polymeren Substrats (1 ) angeklemmt ist,
wobei das Befestigungselement (4) einstückig mit dem polymeren Substrat (1 ) ausgebildet ist.
2. Scheibe nach Anspruch 1 , wobei jedes Befestigungselement (4) als an die Kontaktierungsschiene (3) angrenzender Haken ausgestaltet ist.
3. Scheibe nach Anspruch 1 , wobei jedes Befestigungselement (4) als Stift ausgeformt ist, der durch ein Loch in der Kontaktierungsschiene (3) geführt ist und auf dem ein fixierendes Element (8) angebracht, bevorzugt aufgesteckt ist.
4. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kontaktierungsschiene (3) zumindest einen Edelstahl, einen nichtrostenden Stahl und / oder einen Federstahl enthält und bevorzugt eine Dicke von 0,5 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 3 mm aufweist.
5. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kontaktierungsschiene (3) mit einer Beschichtung (10) versehen ist, die zumindest Nickel, Zinn, Kupfer und / oder Silber enthält und bevorzugt eine Schichtdicke von 0,1 μιη bis 20 μιη, besonders bevorzugt von 6 μιη bis 12 μιη aufweist.
6. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen der Oberfläche des Substrats (1 ) und der Leiterbahn (2) im Bereich der Kontaktierungsschiene (3) und / oder zwischen der Kontaktierungsschiene (3) und der Leiterbahn (2) eine Stromsammeischiene (6) angeordnet ist, die bevorzugt zumindest Wolfram, Kupfer Nickel, Mangan, Aluminium, Silber, Chrom, Eisen, Zinn und / oder Legierungen davon enthält und die bevorzugt eine Dicke von 10 μιη bis 200 μιη, besonders bevorzugt von 50 μιη bis 100 μιη aufweist.
7. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwischen der Oberfläche des Substrats (1 ) und der Leiterbahn (2) im Bereich der Kontaktierungsschiene (3) und zwischen der Kontaktierungsschiene (3) und der Leiterbahn (2) jeweils eine Stromsammeischiene (6) angeordnet ist und wobei die beiden Stromsammeischienen (6) durch eine Lotmasse (7) miteinander verbunden sind.
8. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kontaktierungsschiene (3) einen Anschlussbereich (5) zur Verbindung mit einem externen elektrischen System umfasst, der bevorzugt als normgerechter Flachsteckverbinder ausgestaltet ist.
9. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in die zum Substrat (1 ) hingewandte Oberfläche der Kontaktierungsschiene (3) zumindest eine Erhöhung eingebracht ist, die entlang der Länge der Kontaktierungsschiene (3) verläuft.
10. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zumindest ein Abschnitt der Leiterbahn (2) in das polymere Substrat (1 ) eingebettet ist, bevorzugt mit einer Tiefe, die von 50 % bis 90 %, bevorzugt von 60 % bis 75 % Dicke der Leiterbahn (2) beträgt.
1 1. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das polymere Substrat (1 ) zumindest Polycarbonat, Polyethylenterephthalat und / oder Polymethylmethacrylat enthält und bevorzugt eine Dicke von 1 mm bis 10 mm, besonders bevorzugt von 3 mm bis 5 mm aufweist.
12. Scheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die Leiterbahn (2) zumindest Wolfram, Kupfer Nickel, Mangan, Aluminium, Silber, Chrom, Eisen und / oder Legierungen davon enthält und bevorzugt eine Dicke von 10 μιη bis 300 μιη, bevorzugt von 25 μιη bis 150 μιη aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung einer polymeren Scheibe (I) mit elektrisch leitfähiger Struktur, wobei zumindest
a) ein polymeres Substrat (1 ), welches an einer Oberfläche (12) mindestens ein einstückig mit dem polymeren Substrat (1 ) ausgebildetes Befestigungselement (4) enthält, bereitgestellt wird,
b) mindestens eine Leiterbahn (2) an der Oberfläche (12) des polymeren Substrats (1 ) angebracht wird und
c) mindestens eine Kontaktierungsschiene (3) im Bereich der Leiterbahn (2) mittels des Befestigungselements (4) an die Oberfläche (12) des polymeren Substrats (1 ) angeklemmt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Leiterbahn (2) durch Ultraschall-Einbettung an der Oberfläche (12) des polymeren Substrats (1 ) angebracht wird.
15. Verwendung einer polymeren Scheibe mit elektrisch leitfähiger Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in Fortbewegungsmitteln für den Verkehr auf dem Lande, in der Luft oder zu Wasser, insbesondere als Heck-, Windschutz-, Seiten-, Dachscheibe, Leuchtenabdeckung und / oder Spoiler von Kraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen.
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