DE3831551A1 - Leiterplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einem metallischen Schichttragkör­ per, auf dem eine flächige Isolationsschicht und auf dieser eine Schicht mit einzelnen metallischen Leiterbahnen zum Anschluß elektrischer Bauteile vor­ gesehen ist.

Leiterplatten, insbesondere Leiterplatten, die eine Metallschicht aufweisen (Metall-PCBs Printed-Circuit-Board), werden üblicherweise in SMD-Technik (Surface-Mounted-Device-Technology) mit Bauelementen bestückt. Dabei wer­ den die Bauelemente flach und ohne Durchkontaktierung aufgeklebt. Die bei­ derseitigen Anschlußdrähte der Bauelemente und die entsprechenden Kontakt­ flächen der Leiterplatte werden anschließend durch ein Lötbad gefahren und so miteinander verbunden. Bei einigen Bauelementen müssen hierfür die An­ schlußdrähte vor dem Lötvorgang gebogen werden. In jedem Fall sind bei solchen Metall-PCB′s die Bauhöhen der Bauteile (z. B. Transistoren, Hall-IC's usw.) voll auf der Bestückungsseite wirksam, d.h. die Bauhöhe, beispiels­ weise eines Elektromotors, wird um die Bauteilhöhe vergrößert. Außerdem ist es aufwendig, die flach augesetzten Bauelemente in genauer Position zu fixieren. Zur Vermeidung des Biegens der Anschlußdrähte ist es bekannt, entsprechend Löcher in die Metall-PCB zu stanzen. Die dadurch vorhandene Stanzkante birgt die Gefahr der Verletzung der Isolierung der Anschlußdräh­ te ( Kurzschluß). Durch das Fehlen des ausgestanzten Metalls der Leiterplatte entsteht ein größerer Streufluß, insbesondere für magnetempfindliche Bau­ elemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, die ohne besonderen Aufwand eine genaue, lang­ zeitige, auch bei Temperaturwechseln konstante Fixierung von Bauelementen, insbesondere von Sensoren, z. B. Rotorstellungsdetektoren, auch in ihrer relativen Position zueinander und eine kostensenkende Bestückung ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange­ geben.

Zur weiteren Verringerung der axialen Bauhöhe bei Elektromotoren sind die Vertiefungen in der Leiterplatte zum Motorflansch hin eingeprägt, wo sie in Vertiefungen des Flansches hineinragen. Außerdem bieten die Vertiefungen ei­ nen Schutz für Bauelemente, für die verlöteten Enden der Stromzuführungs­ drähte und weitere Bauteile.

Die genaue Fixierung eines Bauteils wird durch Anlage an Schnitt- oder Stanz­ kanten der Vertiefung ermöglicht. Die Erfindung gestattet es außerdem, z. B. ein Hall-IC in die Vertiefung der weichmagnetischen Leiterplatte so einzupassen, daß ein stärkerer magnetischer Rückschluß für das Hallelement (Hallgenerator oder Hall-IC) einen größeren Signalhub (Ausgangsspannung) ergibt. Die weich­ magnetische Schicht der Leiterplatte kann unerwünschten Streufluß abschirmen.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Leiterplatte, in Richtung der Vertiefungen, gemäß Pfeil in Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößert dargestellte Einzelheit bei III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Elektromotor mit einer erfin­ dungsgemäßen Leiterplatte im vergrößerten, etwa zwei­ fachen Maßstab,

Fig. 5 einen Teilschnitt einer abgewandelten Ausführungsform, bei welcher die Vertiefung in einem abgewinkelten Lap­ pen ausgebildet ist, der in den Rotor des Motors nach Fig. 4 hineinragt,

Fig. 6 einen Teilschnitt entsprechend Fig. 5 für eine Ausfüh­ rungsform, bei welcher der mit der Vertiefung verse­ hene Lappen radial außerhalb des Rotors des Motors nach Fig. 4 abgewinkelt ist, und

Fig. 7 eine schematische Draufsicht entsprechend Fig. 1 für eine Leiterplatte mit drei in Winkelabständen voneinander liegenden Vertiefungen zur Aufnahme jeweils eines Bauteils.

In Fig. 1 und 2 ist eine ebene Leiterplatte 1 dargestellt, die aus einer Me­ tallschicht 2 und einer in bekannter Weise aufkaschierten Leiterschicht 3 be­ steht. Dabei befindet sich zwischen den Schichten 2 und 3 eine dünne Iso­ lationsschicht 3 a, welche mit den Leiterbahnen der Leiterschicht 3 eine be­ kannte sogenannte gedruckte Schaltung auf einer hier metallischen Trag­ schicht bildet.

Solche Leiterplatten werden auch Metall-PCB genannt. Im Ausführungsbei­ spiel bestehen die Metallschicht 2 aus weichmagnetischem Eisenblech und die aufkaschierte Leiterschicht 3 aus Kupfer, mit der genannten vollflächigen Isolationsschicht 3 a darunter. Die angedeuteten Kupferbahnen 3′, 3′′, 3′′′ sind auf der Oberfläche üblicherweise zu sehen, hier aber nicht gezeichnet. Es können auch andere Metalle für die Schicht 2 verwendet werden, die tiefziehgeeignet sind. In die Leiterplatte 1 ist eine eine Grundfläche 12 auf­ weisende erste Tasche 41 zur Aufnahme eines Bauteiles 5 geprägt. Bei die­ sem Ausführungsbeispiel verläuft die Grundfläche 12 parallel zur Fläche der Leiterplatte 1, und das Bauteil 5 ist ein Hall-IC mit drei einseitig in gleicher Ebene herausragenden Anschlußdrähten 6.

Wie in der vergrößerten Darstellung in Fig. 3 zu sehen, ist die Prägetiefe h so gewählt, daß die Anschlußdrähte 6 eben auf der Leiterschicht 3 zur Anlage kommen und so ohne Vorbiegen auf dieser verlötet werden können. Dabei wird das Bauteil 5 an der Stanzkante 7 und, falls erforderlich, an einer der Schnittkanten 8, 9 anliegend fixiert, während die Anschlußdrähte 6 über einer abgerundeten Prägekante 10 liegen. Die Tasche 41 und eine zweite Tasche 42 sind einseitig ausgebildet, d. h. ein U-förmig geschnittener Lappen 11 wird in einer Richtung aus der Ebene der Leiterplatte 1 heraus geprägt. Durch diesen Lappen 11 bleibt der Rückschluß über die Schicht 2 (weichmagnetisch) wirksam, wodurch die Empfindlichkeit des Hall-IC's (grös­ sere Signalspannung) viel besser ist, als wenn das Hall-IC (wie bekannt) in einer Öffnung des PCB angeordnet wäre. Auch gegenüber einem (wie be­ kannt) auf ebener Weicheisenschicht aufgesetzten Hallgenerator kann die Er­ findung die Empfindlichkeit verbessern.

Fig. 4 zeigt eine Verwendung der oben beschriebenen Leiterplatte 1 in einem Elektromotor 20. Dieser als kollektorloser Gleichstrommotor ausgeführte Motor weist eine Welle 21 auf, die in einem Stator oder Motorflansch 28 mittels La­ gern 26, 27 gelagert und an einem Endbereich mit einem glockenförmigen Ro­ tor 22 verbunden ist. Die Welle 21 treibt eine Nabe 23 an, die am anderen Endbereich der Welle 21 drehfest befestigt ist. Im Ausführungsbeispiel dient die Nabe 23 zum Antrieb von Speicherplatten eines Hartplattenspeichers (nicht dargestellt). Die Nabe 23 weist zu diesem Zweck einen Plattenträger­ abschnitt 25 und einen radial abstehenden Flansch 24 auf. Die weichmagneti­ sche Schicht 2 dient als magnetischer Rückschluß für magnetempfindliche Bauteile (Hall-Generator, Hall-IC 5 usw.). Die Leiterplatte 1 (Metall-PCB) dient außerdem als Abschirmung gegen magnetischen Streufluß.

Die zweite Tasche 42 befindet sich radial weiter außen als die Tasche 41 und nimmt einen in Fig. 4, nicht aber in Fig. 1, veranschaulichten Signalgeber 52, beispielsweise wiederum in Form eines Hall-IC, auf.

Das Hall-IC 5 in der Tasche 41 korrespondiert mit einem Rotormagneten 51 (Fig. 4) zur sogenannten Kommutierung des Stromes. Der vierpolige Rotor­ magnet 51 weist vier Viertel-Schalen auf, die in ein Rotorgehäuse 53 unter Bildung von vier Rotorpollücken eingesetzt sind. In einer Rotorpollücke sitzt ein kleiner Signalgebermagnet 54, der auf den Signalgeber 52 in der Tasche 42 wirkt (siehe Fig. 4). Der Signalgebermagnet 54 erzeugt im Zusammenwir­ ken mit dem Signalgeber 52 sogenannte Indeximpulse, wie z. B. in der US-PS 43 79 984 beschrieben, für den Betrieb eines Hartplattenspeichers.

Zum letzteren Zweck müssen die Positionen der Elemente 5 und 52, insbeson­ dere des Signalgebers 52, hochgenau und langzeitig erhalten bleiben, und hier hat die Erfindung eine besondere Bedeutung (die US-PS 45 19 010 zeigt die Verwendung von Weicheisenabschirmringen im Flansch für gleiche Anwen­ dungsprobleme).

Die Fig. 1 bis 2 zeigen einen sogenannten einphasigen oder zweipulsigen kol­ lektorlosen Gleichstrommotor, wie er in der DE-PS 23 46 380 oder der US-PS 38 73 897 beschrieben ist.

Wird z. B. ein dreiphasiger kollektorloser Gleichstrommotor verwendet, benötigt man in bekannter Weise zur Kommutierung (Schalten) der Stromimpulse in den drei Wicklungsgruppen statt des einen Rotorstellungssensors 5 drei Sensoren, z. B. Hallgeneratoren mit vier elektrischen Anschlüssen oder Hall-IC′s 55, 56, 57 mit drei elektrischen Anschlüssen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.

In der EP-OS 02 20 447 ist eine Leiterplatte 6 dargestellt, wobei in Ausstanzun­ gen der Platte Bauelemente (Leistungstransistoren) eingetaucht liegen. Das gibt äußerste axiale Kompaktheit. Das Bauelement hängt sozusagen in der Ausneh­ mung in der Luft.

Nach der Erfindung sind die Kommutierungselemente, d.h. Hallgeneratoren oder Hall-IC, genau entsprechend dem ferromagnetischen Träger (Schicht) mit ge­ druckter isolierter Leiterplatte positioniert. Bei drei Phasen ist die Genauigkeit, insbesondere die genaue gegenseitige Position, von besonderer Wichtigkeit. Das bedeutet, die Winkelgenauigkeit der drei Hall-IC 57, 55, 56 (3-Phasenmotor) muß zur Achse exakt sein, und die radiale Position der Sensoren muß auch genau sein.

Eine andere bekannte Lösung zeigt ein Bauelement als Signalgeber auf einem abgewinkelten Vorsprung eines Trägerflanschs, der aus Aluminium besteht. Dabei wird ein Hall-IC auf den abgewinkelten Vorsprung der Aluminiumflansch­ platte kompliziert aufgeklebt. Ferner trägt eine Leiterplatte ein Hallelement als Signalgeber. Bei dieser Anordnung ergeben sich Wärmeschubdifferenzen bei Temperaturwechsel zwischen der Eisenabschirmschicht und dem Aluminiumflansch, was die Genauigkeit beeinträchtigt.

Erfindungsgemäß wird die metallische Leiterplatte mit ihren Rückschlußeigen­ schaften als Stanzbiegeteil so ausgebildet, daß in genau entsprechend vermaßt ausgestanzten Fenstern Anschlagflächen (an dem Fensterrahmen sozusagen) zur Verfügung stehen, wodurch die Positionen radial und winkelmäßig ohne großen Aufwand für einfache Montage zur Verfügung stehen. Diese Taschen oder Fen­ ster können auch auf einem abgewinkelten Lappen 77 innerhalb der Kreisring­ fläche der PCB vorgesehen sein, um die Elemente 5 aufzunehmen, die auf Per­ manentmagneten 75 des Rotors ansprechen (Fig. 5). Lappen 88 können aber auch am Außenrand der Leiterplatte 1 abgewinkelt vorgesehen sein (Fig. 6 und 7), um mit einem oder mehreren Permanentmagneten 76 an der Außenseite des Rotorgehäuses 53 zusammenzuwirken. Derartig abgewinkelte Lappen kön­ nen, wie in Fig. 6 für den Lappen 88 angedeutet ist, auch einen U-förmigen Ausschnitt 99 mit vertieftem Taschengrund 98 aufweisen, so daß darin eine genaue und einfache Justiermöglichkeit für die Positionierung der Signalgeber 5 (z. B. Hallsignal-ICs) gegenüber der zylindrischen Außen- oder Innenfläche des Rotors gegeben ist.

Die Einstückigkeit mit gleichem Material als ein Trägerteil für alle Sensorelemen­ te und Signalgeber (sogar aus einem einfach herzustellenden Stanzbiegeteil) be­ deutet für sich einen beträchtlichen Fortschritt.

Wenn die Lappen mit Taschen oder Fenstern parallel zur Hauptebene der Lei­ terplatte vertieft herausgedrückt sind oder abgewinkelt am Rand der Leiter­ platte oder weiter innen radial abstehen, erreicht man auf kostensparende Wei­ se relativ hohe Genauigkeit. Die Radial- und Winkelabstände bleiben auch bei Temperaturwechseln und langer Laufzeit mit großer Genauigkeit erhalten.

Die beiden Hauptanwendungen für solche Elemente sind

• a) Rotorstellungssensoren, die z. B. als Hallelemente zum Abtasten des rotieren­ den Permanentmagneten ausgebildet und bei einem einphasigen Motor nur an einer Stelle des Umfangs, bei dreiphasigen Motoren aber dreifach, z. B. im Winkel von 120°el zueinander, angeordnet sind;
• b) sogenannte Signalgeber, welche bei Hartplattenspeichern dazu dienen, für den Datenzugriff die Rotorstellung möglichst genau abzufragen. Das be­ deutet, daß der Signalgeber (z. B. ein Hall-IC) umfangsmäßig sehr genau justiert sein muß und seine Umfangsposition genau erhalten bleiben muß. Die sogenannte 0-Stellung muß immer wieder abgefragt werden können.

Diese beiden Arten von Elementen, d. h. Rotorstellungssensoren und Signalge­ ber (jeweils z. B. als Hall-IC ausgebildet) wirken mit einem Magnetfeld zusam­ men, welches von den Motormagneten des Rotors und von den sehr viel klei­ neren Signalmagneten ausgeht, die gleichfalls am Rotor montiert sind und mit umlaufen. Da je nach Motorkonstruktion diese beiden Magnete unvermeidlich einander benachbart liegen, stören sich die Felder. Vor allem stört das Feld der Motormagnete das Ausgangssignal des Hall-IC, welches auf den kleinen Signalmagneten am Rotor allein reagieren sollte.

Die tieferliegende Taschenfläche, auf welche der als Kommutierungssignalge­ ber oder externer Signalgeber arbeitende Hallgenerator aufgesetzt ist, bedeu­ tet gleichzeitig für diese beiden magnetischen Felder, welche die Hallelemente für den Betrieb jeweils durchdringen müssen, einen magnetischen Rückschluß, so daß man im allgemeinen von einer erwünschten Verstärkung des Hallsignals ausgehen kann.

Wegen der notwendigen, in gewisser Weise aber auch unerwünschten Nähe der Magnete 51, 54 wirkt das Motorfeld wie ein Störfeld auf den Hallsignalgenera­ tor 52. In Weiterbildung der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Taschenboden in besonderer Weise zu gestalten, so daß dieser gezielt als magnetischer Rückschluß verwendet wird bzw. das Motorstreufeld im Sig­ nalkreis im Taschenboden, auf dem der Signalgeber sitzt, geschwächt wird. Dabei wird der Lappen in einfacher Weise ausgestanzt, z. B. kreisförmig.

Es ist darauf zu achten, daß ein stanzfähiger Grad am Rand übrigbleibt. Da­ durch ist man in der Dimensionierung einer solchen Ausnehmung begrenzt. Die Ausnehmung sollte so vorgesehen werden, daß der magnetische Kreis des Signalmagneten 54 möglichst eng geschlossen ist, der magnetische Kreis für den Motormagneten im Bereich des Haltelappens für den Signalmagneten aber möglichst schwach ist, weil dann hier das Streufeld relativ klein ist.

Eine günstige Gestaltung dieser Ausnehmung kann dadurch erreicht werden, daß ein Loch von relativ kleinem Durchmesser exzentrisch, also nicht im Kreuzungspunkt der Diagonalen des rechteckigen Halterungslappens der Ta­ sche, sitzt.

Es wird nach der Erfindung also zwei extremen Genauigkeitsanforderungen auf einfache und kostensparende Weise gedient:

• a) insbesondere bei einem mehrphasigen kollektorlosen Gleichstrommotor sitzen die entsprechend der Phasenzahl vorzusehenden Rotorstellungs­ sensoren, z. B. bei 3-Phasenantrieb drei Hall-ICs, untereinander lang­ fristig, auch bei Temperaturspiel, in genauer Position fest, und
• b) die sogenannte Index-Drift ist minimal (beim Mehrphasen- oder auch beim Einphasenmotor), weil der Hall-IC für die externe Signalerzeugung zum Betrieb eines Hartplattenspeichers auch langfristig trotz Tempera­ turspiel seine genaue Position einhält, so daß der Rückgriff auf die alte Rotationsnullstellung für die spätere Datenabfrage gesichert ist.

Die Bauhöhe des mit der Leiterplatte 1 bestückten Motors 20 kann im übri­ gen vorteilhaft dadurch vermindert werden, daß der Montageflansch 28 im Bereich der Vertiefungen der Taschen 41, 42 der Leiterplatte 1 mit Ausneh­ mungen 29 zur Aufnahme der Lappen 11 ausgebildet wird. Die Leiterplatte 1 kann ferner mit einer Tasche 4 zur Aufnahme von Anschlußenden 31 eines Zuleitungskabels 32 versehen sein. Die Tasche 4 kann ihrerseits in eine entsprechende Ausnehmung 30 des Motorflanschs 28 eintauchen. Der Schlitz, der beim Ausstanzen des die Tasche 4 bildenden Lappens im Bereich der Kanten 7, 8, 9 entsteht, kann, wie in Fig. 4 angedeutet ist, so dimensio­ niert werden, daß das Zuleitungskabel 32 um den Rand der Leiterplatte 1 herumgeführt und damit eine Zugentlastung für die Anschlußenden 31 er­ reicht wird.

Claims (14)

1. Leiterplatte mit einem metallischen Schichttragkörper, auf dem eine flächige Isolationsschicht und auf dieser eine Schicht mit einzelnen metallischen Lei­ terbahnen zum Anschluß elektrischer Bauteile vorgesehen ist, da­ durch gekennzeichnet, daß in die Leiterplatte (1) mindestens eine Vertiefung (4, 41, 42) zur Aufnahme eines Bauteils (5, 52) eingeprägt ist.

2. Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung als Tasche (4, 41, 42) ausgebildet ist, indem ein Lappen (11, 77, 88) im wesentlichen U-förmig (Schnittkanten 7, 8, 9) geschnitten und in einer Richtung aus der Ebene der Leiterplatte (1) herausgeprägt ist.

3. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens ein Teil der Grundfläche (12) der Vertiefung (Lappen 11) parallel zur Fläche der Leiterplatte (1) verläuft.

4. Leiterplatte nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ta­ sche (4, 41, 42) im wesentlichen durch maximal drei Schnittkanten (7, 8, 9) und den herausgeprägten Lappen (77, 88) begrenzt ist.

5. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Bauteilen (5, 52) zum Betrieb eines Elektromotors (20), dadurch gekennzeichnet, daß Wände (Lappen 11) einseitig vertiefter Taschen (4, 41, 42) in Ausnehmungen (29, 30) eines Motorflansches (28) ragen.

6. Leiterplatte nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) mehrere Taschen (4, 41, 42) aufweist, wobei eine er­ ste Tasche (41) einen Rotorstellungs-Detektor (z. B. Hall-IC 5) enthält.

7. Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere An­ spruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (2) weichmagnetisch ist und mindestens ein magnetfeldempfindliches Bauteil (Hallgenerator, Hall-IC 5, 52) trägt.

8. Leiterplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplat­ te (1) als Abschirmung gegen Streufluß ausgebildet ist.

9. Leiterplatte nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weichmagnetische vertiefte Lappen (11, 77, 88) zur Dosierung der Signal­ spannung von Bauelementen (5, 52) und zur Streuflußreduzierung minde­ stens eine Durchgangsöffnung hat oder profiliert ist oder an mindestens einer seiner Schnittkanten verkürzt ist.

10. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Tasche (42) zur Aufnahme eines magnetischen Impulssig­ nalgebers (52) ausgebildet ist, der gegenüber einem Signalmagneten (54, 75, 76) am Rotor (22) positioniert ist.

11. Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 6 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Leiterplatte (1) ausgebildete Tasche (4) Anschlußenden (31) ei­ nes Zuleitungskabels (32) enthält.

12. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, insbesondere nach Anspruch 7 oder 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Mehrphasen- Motor mehrere Sensoren (55, 56, 57) äquidistant auf einem koaxialen Kreis auf der Leiterplatte (1) angeordnet sind.

13. Leiterplatte nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die metallische Leiterplatte (1) mindestens einen abgewinkelten, vorzugsweise rechtwinklig abgewinkelten Lappen (77, 88) mit dort direkt aufgesetztem Sensor oder Signalgeber (5, 52) aufweist, der mit mindestens einem Permanentmagneten (75, 76) auf der zylindrischen Innen- oder Außenfläche des Rotors (22) zusammenwirkt.

14. Leiterplatte nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die abge­ winkelten Lappen (77, 88) eine Vertiefung zur Aufnahme des Sensors oder Signalgebers (5, 52) aufweisen.