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Technischer
Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft elektrische Verbindungselemente und
insbesondere hoch dichte Verbindungssysteme aus Stecker und Steckerbuchse,
bei denen den Stecker- und Steckerbuchsenkontakten zur Gewährleistung
der Integrität
der elektrischen Signale spezifische Signal- und Spannungspegel
zugeordnet sind.
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Hintergrund
der Erfindung
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Fortwährende Verbesserungen
der Konstruktion elektronischer Vorrichtungen für Datenverarbeitungs- und Kommunikationssysteme
stellen rigorose Anforderungen an elektrische Verbindungselemente.
Insbesondere werden für
verbesserte Konstruktionen, durch die die Integration von Halbleiterbauteilen
erhöht
und die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung und Kommunikation
gesteigert werden, elektrische Verbindungselemente mit höherer Dichte und
höheren
Pinzahlen benötigt.
Die Konstruktion von Verbindungselementen mit höheren Dichten und Pinzahlen
erfordert eine sorgfältige
Berücksichtigung der
Probleme, die sich aus einer Verringerung des Abstands zwischen
den Kontakten ergeben. Primär nimmt
bei einer Verringerung des Abstands zwischen den Kontakten die Wahrscheinlichkeit
unerwünschter elektrischer
Kreuzkopplungen zwischen den Kontakten zu.
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Die
Dichte und die Pinzahl werden oft als austauschbar betrachtet, es
bestehen jedoch wesentliche Unterschiede. Die Dichte bezieht sich
auf die Anzahl der Signalkontakte pro Längeneinheit. Dagegen bezeichnet
Pinzahl die Anzahl der Kontaktelemente, die vernünftiger Weise die Einführ- und Abziehkräfte aushalten
können.
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Da
mehr Funktionen auf Halbleiterchips bzw. flexiblen Schaltungssubstraten
integriert und mehr Chips auf gedruckten Leiterplatten (PCBs, printed circuit
boards) angeordnet werden, muß jede
PCB oder flexible Schaltung mehr Eingänge und Ausgänge (E/A
bzw. I/O) aufweisen. Der Bedarf an mehr Eingängen und Ausgängen führt auf
direktem Wege zur Nachfrage nach einer höheren Dichte.
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Bei
einer Zunahme der Signalfrequenz aufgrund einer Zunahme der Geschwindigkeit
der Datenverarbeitung und Kommunikation sind überdies herkömmliche
Ansätze
bei der Konstruktion von Verbindungselementen weniger anwendbar.
Die bei einer Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen Platte
und Platte, Platte und Kabel sowie Kabel und Kabel verwendeten Verbindungselemente
können
zu Konstruktionszwecken wie Übertragungsleitungen behandelt
werden, bei denen Kreuzkopplungen und Rauschen zu ernsthaften Problemen
werden. Tatsächlich
hängt die
elektrische Leistung der Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen
Platte und Platte, Platte und Kabel sowie Kabel und Kabel von der
Größenordnung
der Kreuzkopplungen und des Rauschens ab, die an der Verbindungsschnittstelle erzeugt
werden.
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Wie
in dem durch Bezugnahme hierin enthaltenen US-Patent Nr. 4,824,383 – Lemke – erkannt wurde,
ist eine wesentliche Überlegung
bei der Konstruktion von Verbindungselementen die Herstellung einer
elektrischen Verbindung bei gleichzeitiger Vermeidung einer Verschlechterung
der Leistung des Bauteils. Vor diesem Patent wurden Verbindungselementkonstruktionen
vorgeschlagen, bei denen eine Erdebene und abwechselnde Erdkontakte
sowie Abschirmverlängerungen
einbezogen wurden, um elektrische Diskontinuitäten, d. h. Kreuzkopplungen
und Rauschen, zu minimieren. Obwohl die Leistung bei diesen Vorrichtungen
gemäß dem Stand
der Technik gesteuert werden konnte, war die Dichte begrenzt.
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Im
US-Patent Nr. 4,824,383 werden Konstruktionen für Verbindungselemente aus Stecker und
Steckerbuchse für
Mehrfachleiterkabel oder mehrspurige Substrate vorgeschlagen. Bei
diesen Konstruktionen wurden einzelne Kontaktelemente oder Gruppen
von Kontaktelementen elektrisch isoliert, um Kreuzkopplungen und
eine Verschlechterung der Signale zu verhindern bzw. zu minimieren. Bei
der Konstruktion mit Einzelisolierung war eine leitfähige Basisplatte
mit mehreren, nebeneinander angeordneten Wänden versehen, durch die mehrere Kanäle gebildet
wurden. Ein aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildetes
Kontakthalteelement war so konstruiert, daß es mehrere Finger aufwies,
wobei in jedem Kanal ein Finger angeordnet war. Jeder Finger des
Kontakthalteelementes hielt ein einzelnes Kontaktelement.
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Obwohl
durch die im US-Patent Nr. 4,824,383 offenbarten Verbindungselemente
die Dichte der Kontaktelemente gesteigert wurde, nahmen die von
der Industrie vorangetriebenen Anforderungen an die Dichte weiterhin
zu. In den US-Patenten Nr. 5,057,028 von Lemke et al. und Nr. 5,169,324 von
Lemke et al. (dem jetzigen US-Patent Nr. Re. 35.508), die beide
durch Bezugnahme hierin enthalten sind, sind zweireihige Verbindungselemente
aus Stecker und Steckerbuchse zur Anbringung an gedruckten Leiterplatten
(PCBs) offenbart, die eine erhöhte
Dichte aufweisen. Obwohl dieses Stecker- und Steckerbuchsensystem
eine höhere
Kontaktdichte bot, wurde eine elektrische Isolation durch durchgehende
Metallstrukturen primär
zwischen Gruppen von Kontakten statt zwischen einzelnen Kontakten erreicht.
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Bei
dem Versuch, eine Isolation zwischen einzelnen Kontakten herzustellen,
wurden unterschiedliche Konstruktionsschemata vorgeschlagen. Diese
Konstruktionsschemata können
allgemein nach koaxialen Strukturen (ein einzelner, vollständig von
einem Leiter umgebener Kontakt), pseudokoaxialen Strukturen wie
zweiachsigen Strukturen (von einem Leiter umgebene Doppelkontakte),
Mikrostreifenstrukturen (mehrere, auf einer Seite einer einzigen
Erdebene vorgesehene Kontakte) und Streifenleitungsstrukturen (mehrere
zwischen zwei Erdebenen angeordnete Kontakte) kategorisiert werden.
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In
den US-Patenten Nr. 4,846,727, Nr. 5,046,960, Nr. 5,066,236, Nr.
5,104,341, Nr. 5,496,183, Nr. 5,342,211 und Nr. 5,286,212 sind verschiedene
Arten von in ein Stecker- und Steckerbuchsensystem eingebauten Streifenleitungsstrukturen
offenbart. Im allgemeinen können
diese Systeme jedoch als Systeme beschrieben werden, die Reihen von
Kontaktelementen aufweisen, zwischen denen jeweils leitfähige Platten
angeordnet sind. Die Verbindungselemente sind so konstruiert, daß die Stecker- und
Steckerbuchsenerdplatten miteinander in Kontakt stehen. Jede Reihe
von Steckerbuchsenkontaktelementen ist in einen Rahmen aus einem
dielektrischen Material eingegossen. Der gesamte Steckerbuchsenaufbau
umfaßt
daher ein Gehäuse,
in dem die Erdplatten und die dielektrischen Rahmen in einander
abwechselnden Schichten aufeinander angebracht sind.
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Es
wird insbesondere auf das US-Patent Nr. 5,046,960 bezug genommen,
das zeigt, daß derartige
Verbindungselemente für
hoch dichte Anwendungen aufgrund der Menge an dielektrischem Material zwischen
den einzelnen Kontakten wenig wünschenswert
sein können.
In diesem Patent wird vorgeschlagen, daß sich die elektrischen Charakteristika
des Verbindungselements, insbesondere die Impedanzcharakteristika,
ebenfalls ändern
würden, wenn
die Menge an dielektrischem Material verringert würde. Es
wird ausgeführt,
daß es
wünschenswert
wäre, ein
Verbindungselement zu haben, das eine dichtere Anordnung von Kontaktelementen
böte, während die
weniger dichten Verbindungselementen zugeordneten elektrischen Charakteristika
erhalten blieben. Die elektrischen Charakteristika werden demgemäß teilweise
durch die Erzeugung von Luftreservoirs erreicht, die Teile der geerdeten,
durchgehenden, leitfähigen
Platten unmittelbar umgeben. Ebenso sind äußere Abschirmungen offenbart,
die das Äußere der
Steckerbuchse umgeben. Ein Problem bei diesem System ist jedoch,
daß die
Geschwindigkeit, mit der Signale das Verbindungselement passieren,
aufgrund der durchgehenden Struktur der leitfähigen Platten und des Vorhandenseins des
dielektrischen Materials zwischen den leitfähigen Platten begrenzt ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft teilweise eine Modifikation der bereits
beschriebenen, koaxialen und zweiachsigen Isolationsschemata. Es
wurde festgestellt, daß durch
Auswählen
bestimmter Kontaktelemente in einer Anordnung als Signal- und Erdkontakte
eine zufriedenstellende Isolierung erreicht werden kann. Bei einem
derartigen Beispiel werden der mittlere Kontakt einer Anordnung
zur Übertragung
eines potentiell Kreuzkopplungen verursachenden Signals ausgewählt und
sämtliche
umgebenden Kontakte mit der Erde verbunden. Derartige Kontaktelementmuster
werden in den US-Patenten Nr. 5,174,770, Nr. 5,197,893 und Nr. 5,525,067
vorgeschlagen.
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In
der
EP 0 486 298 ist
ein Verbindungselement mit mehreren Kontakten zur Übertragung
von elektrischen Signalen mit unterschiedlichen Signal- und Erdkontakten
gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche
1 und 17 offenbart, die in gleichmäßigen Abständen in Reihen in zwei Hälften angeordnet
sind. Werden die Hälften
zusam mengefügt,
sind die Signalkontakte der einen Hälfte von den Erdkontakten der
anderen umgeben.
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Eines
der Probleme bei den vorstehend beschriebenen Verbindungssystemen
ist, daß die
Dichte der Kontaktelemente unzureichend für bestimmte Anwendungen bleibt.
Wenn die Erdplatte eine durchgehende Metallstruktur ist, werden überdies
die Kapazitanz- oder
Impedanzcharakteristika dieser Struktur bei einem Anstieg der Geschwindigkeit
signifikant. Eine Erhöhung
der Signalgeschwindigkeit bedeutet im vorliegenden Fall eine Verringerung
der Anstiegszeit. Wird die Anstiegszeit bis zu einem Punkt verringert,
in dem sie geringer als die Ausbreitungsverzögerungskennlinie der Verbindungsstruktur
ist, tritt eine unerwünschte
Kreuzkopplung auf.
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Dementsprechend
besteht nach wie vor Bedarf an einem Verbindungssystem, durch das
die Anzahl der zur Zuordnung zu Erde oder Signalen verfügbaren Kontaktelemente
maximiert wird, während Kreuzkopplungen
minimiert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wurde darauf hingewiesen, daß viele
der vorstehend beschriebenen Probleme hoch dichter Verbindungssysteme
gelöst
und weitere Vorteile erzielt werden können, wenn die Kapazitanzcharakteristika
am Verbindungspunkt berücksichtigt
werden. In dieser Hinsicht können
die Probleme bekannter Verbindungssysteme bei Hochgeschwindigkeitssignalen,
d. h. bei Signalen mit geringen Anstiegszeiten, überwunden werden, wenn das
Verhältnis
zwischen der Ausbreitungsverzögerungszeit
des Verbindungselements und der Anstiegszeit des Signals bei der Konstruktion
des Verbindungselements berücksichtigt
wird. Die Ausbreitungsverzögerungszeit
des Verbindungselements steht mit den Kapazitanzcharakteristika
des Verbindungssys tems in Beziehung, wenn der Verbindungsabstand
allgemein als konstant betrachtet wird.
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In
den Ansprüchen
1 und 17 sind erfindungsgemäße Steckerbuchsen
definiert.
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Vorzugsweise
umfaßt
die Steckerbuchse mehrere erste und zweite Schichten, die Reihen
von Kontakten bilden, wobei die Schichten abwechselnd nebeneinander
angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform
weist das Gehäuse
vorzugsweise auch ein Abdeckelement mit einer Reihe von Vorsprüngen und
Ausnehmungen auf. Die ersten Schichten sind in der Nähe der Vorsprünge und
die zweiten Schichten in der Nähe
der Ausnehmungen oder Nuten angeordnet.
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Ebenso
weist das Gehäuse
vorzugsweise einer obere Oberfläche
und überdies
einen auf der oberen Oberfläche
ausgebildeten Ausrichtungsvorsprung auf.
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Bei
einer Ausführungsform
ist die erste Schicht ein erstes Plättchen, an dem die Kontaktelemente
befestigt sind. Vorzugsweise sind die Kontaktelemente in das erste
Plättchen
eingegossen. Bei dieser Ausführungsform
ist das erste Plättchen
aus einem isolierenden oder dielektrischen Material ausgebildet.
Das erste Plättchen
weist auch einen auf einer seiner Seitenflächen ausgebildeten Stift auf.
Der Stift hat vorzugsweise einen gespaltenen Aufbau. Bei dieser
Ausführungsform
ist die zweite Schicht vorzugsweise ähnlich wie die erste Schicht
aufgebaut, d. h. sie umfaßt
ein zweites Plättchen,
an dem die Kontaktelemente befestigt sind. Statt der Vorsprünge weist
das zweite Plättchen
jedoch vorzugsweise eine Bohrung auf. Sind das erste und zweite
Plättchen
nebeneinander angeordnet, wird der Stift des ersten Plättchens
in die Bohrung des zweiten Plättchens eingeführt.
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Ebenso
ist die Anzahl der Kontaktelemente auf dem ersten Plättchen vorzugsweise
ungerade, während
die Anzahl der Kontakt elemente auf dem zweiten Plättchen gerade
ist. Ebenso unterscheidet sich die Anzahl der Kontaktelemente des
ersten Plättchens
vorzugsweise um eines von der des zweiten Plättchens. Auf diese Weise können die
Aufnahmeteile und die rückwärtigen Teile
abwechselnd angeordnet werden, wodurch weniger Platz zur Befestigung
der Leiterplatte erforderlich ist, d. h. die Steckerbuchse eine
hohe Dichte aufweist.
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Bei
einer derartigen, hoch dichten Verbindung können Pinbelegungen gewünschte Isolationswirkungen
erzielen. Zu diesem Zweck wurden mehrere Pinzuordnungen aufgeführt. Die
Aufnahmeabschnitte der ersten Schichten können beispielsweise vorab für eine Verbindung
mit der Erde ausgewählt werden.
Bei einer derartigen Ausführungsform
kann auch dafür
gesorgt werden, daß jeder
der Aufnahmeabschnitte der zweiten Schichten Signale empfängt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Durch
die Bezugnahme auf die folgende, genaue Beschreibung der Erfindung
im Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen ist die vorliegende
Erfindung besser zu verstehen, und ihre zahlreichen Aufgaben und
Vorteile werden offensichtlich. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht, die eine erfindungsgemäß konstruierte Steckerbuchse
allgemein zeigt;
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2 eine
um 180° gedrehte,
perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten
Steckerbuchse;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie 3–3 in 2;
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4 eine
Schnittansicht entlang der Linie 4–4 in 2;
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5 eine
perspektivische Ansicht des in 3 im Querschnitt
dargestellten Kontaktmoduls;
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6 eine
um 180° gedrehte,
perspektivische Ansicht des in 5 im Querschnitt
dargestellten Kontaktmoduls;
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7 eine
perspektivische Ansicht des in 4 im Querschnitt
dargestellten Kontaktmoduls;
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8 eine
um 180° gedrehte,
perspektivische Ansicht des in 7 im Querschnitt
dargestellten Kontaktmoduls;
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9 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß konstruierten Steckers von
unten;
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10 eine
Ansicht des in 9 dargestellten Steckers von
oben;
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11 eine
diagrammartige Darstellung eines erfindungsgemäßen Musters von Signalbelegungen;
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12 ein
alternatives Muster erfindungsgemäßer Signalbelegungen;
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13 ein
alternatives Muster erfindungsgemäßer Signalbelegungen;
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14 eine
perspektivische Ansicht einer zusammengesetzten Ansammlung von Kontaktmodulen,
die alternative Ausführungsformen
der in den 5–8 im Querschnitt
dargestellten Kontaktmodule sind;
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15 eine
alternative perspektivische Ansicht einer zusammengesetzten Ansammlung
von Kontaktmodulen, die alternative Ausführungsformen der in den 5–8 im
Querschnitt dargestellten Kontaktmodule sind;
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16 eine
Ansicht der in den 14 und 15 dargestellten,
zusammengesetzten Kontaktmodule von vorne;
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17 eine
perspektivische Ansicht eines der in den 14 und 15 dargestellten
Kontaktmodule;
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18 eine
alternative perspektivische Ansicht eines der in den 14 und 15 dargestellten
Kontaktmodule;
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19 eine
Ansicht des in den 17 und 18 dargestellten
Kontaktmoduls von vorne;
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20 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren der in den 14 und 15 dargestellten Kontaktmodule;
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21 eine
alternative perspektivische Ansicht eines weiteren der in den 14 und 15 dargestellten
Kontaktmodule;
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22 eine
Ansicht des in den 20 und 21 dargestellten
Kontaktmoduls von vorne;
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23 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß konstruierten und speziell
zur Verwendung mit dem Kontaktmodul gemäß der in den 14–16 dargestellten
Ausführungsform
geeigneten Steckers;
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24 eine
Schnittansicht des in 23 dargestellten Steckers, in
den ein Stift eingeführt
wurde;
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25 eine
Ansicht mehrerer der in 23 dargestellten
Stifte von oben; und
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26 ein
alternatives Muster der erfindungsgemäßen Signalbelegungen.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend in bezug auf ein hoch dichtes
Verbindungssystem in einer Umgebung beschrieben, in der digitale
Daten repräsentierende
Signale übertragen
werden. Zum Beschreiben bestimmter struktureller Merkmale der Erfindung
und zum Verständnis
bestimmter Vorteile der Erfindung wird auf Hochgeschwindigkeitssignale, d.
h. Signale mit kurzen Anstiegszeiten, bezug genommen. Es ist ersichtlich,
daß derartige
Signale von Natur aus Impulssignale sind, wobei die Anstiegszeit die
für einen Übergang
des Signals von einem niedrigen logischen Pegel zu einem höheren logischen Pegel
erforderliche Zeitspanne repräsentiert.
In dieser Hinsicht wird auch auf die Phänomene der Ausbreitungsverzögerung und
der Reflexion bezug genommen. Es wird darauf hingewiesen, daß derartige Beschreibungen
Veranschaulichungszwecken dienen und nicht darauf abzielen, den
Rahmen oder die Anwendbarkeit der Erfindung einzuschränken.
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In 1 ist
ein Steckerbuchsenverbindungselement 30 zur Verwendung
in einem erfindungsgemäß konstruierten
elektrischen Verbindungssystem allgemein gezeigt. Es wurde festgestellt,
daß bei hoch
dichten Verbindungselementen eine Hochgeschwindigkeitsleistung,
d. h. die Fähigkeit,
Impulssignale mit sehr kurzen Anstiegszeiten zu übertragen, erzielt werden kann,
wenn darauf geachtet wird, die Impedanz anzugleichen und eine Reflexion
zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist festzuhalten, daß eine höhere Signalgeschwindigkeit
kürzere
Anstiegszeiten zur Folge hat. Wenn die Ausbreitungsverzögerung des
Verbindungselements größer als
die Anstiegszeit eines Signals ist, tritt eine Reflexion auf. Es wird
darauf hingewiesen, daß die
Ausbreitungsverzögerung
eines Verbindungselements mit einer mangelhaften Impedanzabstimmung
in Zusammenhang steht. Kann die Ausbreitungsverzögerung auf einem Wert gehalten
werden, der kleiner als die Hälfte
der Anstiegszeit des gesendeten Signals ist, sollte die Impedanz
so ausreichend angeglichen sein, daß kein signifikantes Maß an Reflexion
auftritt. Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
eines Verbindungselements umfassen eine Struktur, durch die die Kapazitanz
minimiert, die Signalgeschwindigkeit maximiert und damit die Ausbreitungsverzögerung und Kreuzkopplungen
minimiert werden.
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Gemäß der Darstellung
umfaßt
das Steckerbuchsenverbindungselement 30 ein Gehäuseteil 32 und
einen Kontaktmontageabschnitt 34. Das Gehäuse 32 umfaßt eine
vordere Wand 36, eine obere Oberfläche 38, einen vorderen
Ausrichtungsabschnitt 40 und einen hinteren Montageabschnitt 42. In
der vorderen Wand 36 sind mehrere Öffnungen 44 ausgebildet.
Die Öffnungen 44 sind
vorzugsweise in einem Zwischengittermuster angeordnet, d. h. die Öffnungen
sind in Reihen angeordnet, wobei die Öffnungen in einer Reihe in
bezug auf die Öffnungen
in der daneben liegenden Reihe versetzt sind. Wie nachstehend erläutert, ist
jeder Öffnung 44 ein
entsprechendes Kontaktelement zugeordnet.
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In 2 ist
die Steckerbuchse 30 perspektivisch und um 180° gedreht
dargestellt. Wie dargestellt, weist der Montageabschnitt 42 mehrere
Schlitze 50 und Vorsprünge 52 auf.
Wie unter Bezugnahme auf die 3 bis 8 beschrieben,
sind die in der Steckerbuchse 30 zusammengesetzten Kontaktelemente
in Modulform vorgesehen. Genauer weist das Modul 54 sechs
Kontaktelemente und das Modul 56 fünf Kontaktelemente auf.
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Gemäß 3 umfaßt das Modul 56 mehrere Kontaktelemente 58,
die jeweils einen Aufnahmeteil 60 und einen rückwärtigen Teil 62 aufweisen.
Die Kontaktelemente 58 sind in ein Plättchen 64 eingegossen.
Das Plättchen 64 ist
vorzugsweise aus einem dielektrischen Material ausgebildet. Obwohl dies
vorstehend nicht erwähnt
wurde, ist das Gehäuse 32 vorzugsweise
aus einem isolierenden Material ausgebildet. Wie in 3 gezeigt,
ist jedem Aufnahmeteil 60 des Kontaktelements 58 eine
separate Öffnung 44 in
der vorderen Wand 36 des Gehäuses 32 zugeordnet.
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In 4 ist
das Modul 54 genauer gezeigt. Die mehreren Kontaktelemente 66 sind
in ein Plättchen 68 eingegossen
und umfassen jeweils einen Aufnahmeteil 70 und einen rückwärtigen Teil 72. Ähnlich wie
die in 3 gezeigten Aufnahmeteile 60 ist jedem
Aufnahmeteil 70 eine Öffnung 44 an
der vorderen Wand 36 des Gehäuses 32 zugeordnet.
Auch hier ist das Plättchen 68 vorzugsweise
aus einem dielektrischen Material gefertigt. Es wird darauf hingewiesen,
daß die
rückwärtigen Teile 62 und 72 gestaffelt
bzw. versetzt angeordnet sind. Der Versatz bzw. die Zwischengitterbeziehung
setzt sich bei den Aufnahmeteilen 60 und 70 fort.
Aus einem Vergleich der 3 und 4 ist ersichtlich,
daß die äußersten Aufnahmeteile 70 weiter
außen
als die äußersten Aufnahmeteile 60 angeordnet
sind. Wie aus dem auf der vorderen Wand 36 dargestellten
Gesamtmuster ersichtlich, sind die Aufnahmeenden 60 des
Moduls 56 versetzt bzw. seitlich zwischen den Aufnahmeenden 70 des
Moduls 54 angeordnet. Es wird darauf hingewiesen, daß der Versatz
der Aufnahmeenden 60 und 70 auch zu einem gewissen
Maß an
horizontaler Überlappung
führt,
was unter Bezugnahme auf die 11 bis 13 genauer
erläutert
wird.
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Unter
Bezugnahme auf die 3, 5 und 6 wird
das Modul 56 noch genauer beschrieben. Wie dargestellt,
umfaßt
das Modul 56 einen allgemein ebenen mittleren Teil 74,
der von einer ansteigenden Außenwand 76 umgeben
ist. Die Wand 76 dient als Vorsprung, der sich von beiden
Seiten des mittleren Teils 74 nach außen erstreckt. Auf einer Seite
des Moduls 56 sind zwei Montagestifte 78 und 80 vorgesehen.
Wie in 5 dargestellt, weist jeder der Montagestifte einen
gespaltenen Stiftaufbau auf. Wie ersichtlich, ist der vordere Durchmesser
des Stifts 76 geringfügig
größer als
die (nicht dargestell te) Bohrung, in die er eingeführt wird.
Die gespaltene Konstruktion des Stifts ermöglicht einen guten Reibungseingriff.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
sind der mittlere Abschnitt 74, die Außenwand 76 und die Stifte 78 und 80 einstückig um
die Kontaktelemente ausgebildet.
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Jedes
Modul 56 umfaßt
mehrere Kontaktelemente 58. Jedes der Kontaktelemente 58 weist
einen vorderen Abschnitt 61, einen mittleren Abschnitt 63, einen
Befestigungsabschnitt 65 und einen rückwärtigen Teil 62 auf.
Die Befestigungsabschnitte 65 werden so im mittleren Abschnitt 74 befestigt
oder angeordnet, daß die
Kontaktelemente fixiert und in bezug aufeinander ausgerichtet sind.
Wie in 3 dargestellt, ist die ist die Reihe der Kontaktelemente
in bezug auf das Gehäuse 32 so
angeordnet, daß die
einzigen Teile der Kontaktelemente 58, die mit dem Gehäuse 32 in
Eingriff treten können,
die vorderen Abschnitte 61 sind, die mit dem Ausrichtungsabschnitt 40 in
Eingriff treten. Die vorderen Abschnitte 61 werden von
auf der Innenseite der vorderen Wand 36 ausgebildeten Taschen 67 in
ihrer Position gehalten, die jede Öffnung 44 umgeben.
Die mittleren Abschnitte 63 berühren das Gehäuse 32 nicht
und stehen mit keinem dielektrischen Bauteil in Kontakt. Es befindet
sich auch kein dielektrisches Teil zwischen den Kontaktelementen.
Vorzugsweise sind die mittleren Abschnitte 63 von Luft
umgeben. Sind die mittleren Abschnitte 63 von Luft umgeben,
werden die effektive Kapazitanz der Steckerbuchse 30 und
die Ausbreitungsverzögerung
minimiert.
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Unter
Bezugnahme auf die 4, 7 und 8 wird
das Modul 54 genauer beschrieben. Das Modul 54 umfaßt mehrere,
in ein Plättchen
aus einem dielektrischen Material eingegossene Kontaktelemente 66.
Das Plättchen 64 umfaßt gemäß der Darstellung
einen im allgemeinen ebenen mittleren Abschnitt, der von einem ansteigenden Vorsprung
bzw. einem Begrenzungsteil 84 umgeben ist. Der Vorsprung 84 erstreckt
sich vom mittleren Abschnitt 82 nach außen und verläuft um dessen
Umfang. Es ist ersichtlich, daß die
ansteigenden Vorsprünge 76 und 84 (siehe 6 und 8)
dazu dienen, Hohlräume zwischen
den mittleren Abschnitten zu erzeugen, wenn die mittleren Abschnitte 54 und 56 zusammengesetzt
sind, wie in 2 gezeigt. Die Erzeugung derartiger
Hohlräume
dient der weiteren Minimierung der effektiven Kapazitanz der Steckerbuchse 30 zur Erhöhung der
Geschwindigkeit und zur Minimierung der Ausbreitungsverzögerung.
Wie in 8 gezeigt, sind im Modul 54 zwei Bohrungen 86 und 88 ausgebildet,
die jeweils einen Wulst 90 bzw. 92 aufweisen.
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Jedes
Modul 54 weist mehrere Kontaktelemente 66 auf.
Jedes der Kontaktelemente 66 weist einen vorderen Abschnitt 71 einen
mittleren Abschnitt 73, einen Befestigungsabschnitt 75 und
einen rückwärtigen Teil 72 auf.
Die Befestigungsabschnitte 75 sind im mittleren Abschnitt 82 so
befestigt oder angeordnet, daß die
Kontaktelemente 66 fixiert und in bezug aufeinander ausgerichtet
sind. Wie in 4 dargestellt, ist die Reihe
der Kontaktelemente in bezug auf das Gehäuse 32 so angeordnet,
daß die
einzigen Teile der Kontaktelemente 66, die mit dem Gehäuse 32 in
Eingriff stehen, die vorderen Abschnitte 71 sind, die mit
dem Ausrichtungsabschnitt 40 in Eingriff stehen. Die vorderen
Abschnitte 71 werden durch Taschen 77 in ihrer
Position gehalten, die auf der Innenseite der vorderen Wand 36 ausgebildet sind
und jede Öffnung 44 umgeben.
Die mittleren Abschnitte 73 gelangen nicht mit dem Gehäuse 32 oder einem
anderen, dielektrischen Teil in Kontakt, und zwischen den Kontaktelementen
befinden sich keine dielektrischen Teile. Vorzugsweise sind die
mittleren Abschnitte 73 von Luft umgeben. Sind die mittleren Abschnitte 73 von
Luft umgeben, werden die effektive Kapazitanz der Steckerbuchse 30 und
die Ausbreitungsverzögerung
minimiert.
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Wie
aus den 5 bis 8 hervorgeht,
sollen die gespaltenen Stifte 78 und 79 in Bohrungen 86 und 88 eingeführt werden,
wodurch die Module 56 und 54 zusammengehalten
werden. Im Zusammenhang mit den 5 bis 8 wird
darauf hingewiesen, daß die
mittleren Abschnitte 63 und 73 von Luft umgeben
sind. Diese strukturelle Maßnahme
hat eine effektive Dielektrizitätskonstante
zur Folge, die nahe 1 liegt. Eine derart niedrige Dielektrizitätskonstante
hat die Tendenz, Kreuzkopplungen zu minimieren, verringert das Verhältnis von
Ausbreitungsverzögerung
zu Anstiegszeit und hilft, eine genauere Abstimmung der Impedanzen
des Verbindungselements und der über
das Verbindungselement verbundenen Systeme zu erzielen.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß die
Kontaktelemente 58 und 66 im allgemeinen eine
identische Konstruktion aufweisen, obwohl sich ihre Anzahl von Reihe
zu Reihe unterscheiden kann. Eine derartige identische Struktur
ermöglicht
eine größere Flexibilität bei der
Belegung von Signal- und Erdpins. Überdies weisen die vorderen
Abschnitte 61 und 71 nach innen gewandte Vorsprünge auf,
die der Verbesserung der Gleit- und Haltefunktionen dienen.
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Unter
Bezugnahme auf die 9 und 10 wird
nun ein Pinkopf 100 beschrieben. Der gezeigte Kopf 100 weist
zwei Seitenwände 102 und 104 sowie
einen Basisabschnitt 106 auf. In der Basis 106 sind
mehrere Pins 108 angeordnet. Aus 10 geht
hervor, daß die
Pins 108 entsprechend dem Muster der Löcher 44 in der vorderen
Wand 36 des Gehäuses 32 abwechselnd
angeordnet sind.
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In
den 11, 12 und 13 sind
verschiedene Kontaktelementbelegungen aufgeführt. Gemäß 11 sind
die Kontaktele mente so belegt, daß eine Streifenleiterstruktur
erzeugt wird. Die schraffiert dargestellten Elemente sind geerdet,
während
an die leeren bzw. nicht gekennzeichneten Elemente ein Signal angelegt
wird. Gemäß 12 sind die
Kontaktelemente, an die ein Signal angelegt wird, ferner so aufgeteilt,
daß abwechselnd
unterschiedliche Signale an die Kontaktelemente angelegt werden.
Es ist ersichtlich, daß ein
unterschiedliches Signal die Form eines Signals aufweisen kann,
das um 180° außer Phase
mit einem anderen ist, wodurch Differentialpaare gebildet werden.
Gemäß 13 sind
bestimme Kontaktelemente, die gemäß 12 mit
der Erde verbunden sind, weder an die Erde noch an ein Signal angeschlossen.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß jede
Reihe die daneben liegende Reihe bis zu einem gewissen Grad überlappt.
Zwei Beispiele für
diese Überlappung
sind in 12 dargestellt und durch „A" bezeichnet. Obwohl
die Überlappung
dazu tendiert, signalübertragende
Kontaktelemente abzuschirmen, muß eine derartige Überlappung
zur Minimierung der Kapazitanz minimiert werden. Durch Minimieren
der Kapazitanz werden die Ausbreitungsverzögerung minimiert und der Impedanzabgleich
bei einer hoch dichten Kontaktanordnung verbessert. Vorzugsweise überschreitet
der Grad der Überlappung
nicht die Hälfte
der Breite eines Kontaktelements.
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Bevor
eine alternative und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung behandelt
wird, werden zunächst
einige Einschränkungen
des vorstehend beschriebenen Verbindungssystems betrachtet. Bei derartigen
Verbindungselementen (siehe 11–13)
sind die potentiellen Erdkontakte in den nebeneinander liegenden
Ecken eines Gitters von 2 mm2 mit in den
Reihen um 1 mm beabstandeten Signalkontakten und einer dem Schnittpunkt
der quadratischen Diagonalen (Gitterdiagonalen) der Erdungspunkte
entsprechenden Position angeordnet. Die Implikationen sind, neben
der Schaffung einer Pseudo-Koaxialkabel-Verbindungselementkonfiguration,
für den
Konstrukteur zwei. Zunächst
ist der Abstand zwischen nebeneinander liegenden Signal- und Erdanschlüssen im
breitesten Abschnitt der Kontaktbaugruppe kurz, wodurch die Zusammensetzung der
Anschlüsse
und die Herstellung der Verbindungselemente schwierig werden. Zweitens
ist ein Druckpaßanschlußschema
bei einer Platte mit einem Lochgitter mit einem effektiven Abstand
von 1 mm sowohl hinsichtlich der Anwendung als auch hinsichtlich
der Spurführung
schwierig. Zudem läßt die Impedanz
auf den Leiterplatten bei derartigen Konfigurationen erheblich nach,
was zu einem mangelhaften Impedanzabgleich und einer unnötig hohen
Reflexion sowie einer Signalverzerrung bei höheren Frequenzen führen könnte.
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Überdies
kann eine Verbindungselementbaugruppe aufgrund der folgenden Gründe problematisch
sein: räumliche
Einschränkungen;
die Anfälligkeit
der Verbindungselemente für
durch eine grobe Behandlung verursachte Kurzschlüsse; eine Zunahme der Verbindungselementeinführ- bzw.
Entnahmekräfte
und damit die Notwendigkeit einer Begrenzung der Anzahl der Zusammensetzungszyklen.
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Unter
Berücksichtigung
des Vorstehenden wurde nach Möglichkeiten
gesucht, den Abstand zwischen nebeneinander liegenden Erd- und Signalanschlüssen sowohl
auf der Ebene der zusammengesteckten Baugruppe als auch auf der
Ebene der Platte zu vergrößern. Die
nachstehende Ausführungsform
mit einer Drehung um 45° bietet
eine Lösung
für diese
Probleme.
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Unter
Bezugnahme auf die 14–16 wird
nun eine alternative Ausführungsform
beschrieben, bei der die Aufnahme- oder Steckerbuchsenabschnitte
der Kontaktelemente in bezug auf die Vertikale bzw. die in den 6 und 8 dargestellte Ausrichtung
um ca. 45° versetzt
bzw. gedreht sind. Dieser Drehwinkel kann auch jeder andere beliebig gewählte Winkel
sein. Wie in 16 gezeigt, sind die im Modul 56' befestigten
Kontaktelemente 58' in
bezug auf die Vertikale um 45° im
Gegenuhrzeigersinn gedreht, während
die im Modul 54 befestigten Kontaktelemente 66' in bezug auf
die Vertikale um 45° im Uhrzeigersinn
gedreht sind. Damit sind die Elemente 56' und 58' allgemein rechtwinklig, d. h.
in einem Winkel von 90° zueinander
angeordnet. Die Drehung der Kontaktelemente ist in den 17 bis 22 genauer
dargestellt.
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Durch
Drehen jedes der Kontaktelemente um ca. 45° in bezug auf die Vertikale
wird die kapazitive Kopplung zwischen den Kontakten verringert,
da der Abstand zwischen den Kontakten in einer Reihe vergrößert wird,
was zu weniger Kreuzkopplungen sowohl in der Steckerbuchse als auch
im entsprechenden Kopfverbindungselement führt. Es wird darauf hingewiesen,
daß die
Drehung um ca. 45° eine vierzigprozentige
Vergrößerung des
Abstands zwischen den Kontaktelementen zur Folge hat, durch die die
Kapazitanz weiter verringert wird. Es wird jedoch auch darauf hingewiesen,
daß durch
ein Drehen der Kontaktelemente auch der Grad der Überlappung zwischen
den Reihen von Kontaktelementen erhöht wird. Ferner wird darauf
hingewiesen, daß der
rückwärtige Abschnitt
des Kontaktanschlusses, der sich von der Rückseite des Halterungsteils 74' und 82' zur (nicht
dargestellten) Leiterplatte erstreckt, auch eine weitere Drehung
(und/oder) eine rechtwinklige Biegung zur Erzeugung eines zum Preßpassen,
zur Durchgangsmontage oder zur Oberflächenmontage geeigneten, rückwärtigen Endes
ermöglichen
könnte.
Werden flache seitliche Stifte verwendet, muß jeder dieser Stifte auch
um seine Längsachse
gedreht werden.
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In 23 ist
ein erfindungsgemäß konstruierter
Pinkopf 120 gezeigt. Der Kopf 120 umfaßt gemäß der Darstellung
mehrere Pins 122, die in einem Zwischengittermuster angeordnet
sind. Die Pins 122 als solche sind in mehreren Reihen 124 und 126 ausgerichtet,
wobei die Pins in einer Reihe in bezug auf die Pins in der anderen
Reihe versetzt sind. Dieser Versatz führt zu einem Pinmuster, das
an den in 1 gezeigten Öffnungen 44 in der
vorderen Wand 36 ausgerichtet werden kann.
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Wie
in 24 gezeigt, weist der Kopf 120 einen
Körperabschnitt 128 auf,
durch den mehrere Bohrungen 130 verlaufen. Die Stifte 122 werden durch
die Bohrungen 130 geführt
und darin fixiert.
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Wie
in 25 gezeigt, sind die Pins 122 so konstruiert,
daß jede
Seitenfläche
in bezug auf die Vertikale bzw. in bezug auf die in den 6 und 8 dargestellte
Ausrichtung in einem Winkel von ca. 45° ausgerichtet ist. Die Verwendung
einer derartigen Konstruktion im Zusammenhang mit der in 25 dargestellten
Zwischengitteranordnung führt zu
einem geringen Grad an horizontaler Überlappung „A" zwischen den nebeneinander liegenden
Reihen. Diese Überlappung
ist eine effektive elektrische Überlappung,
die zur elektrischen Isolation der Stifte beiträgt.
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In 26 ist
ein Belegungsmuster zur Verwendung mit der gedrehten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Verwendung
dieser Ausführungsform
eine Zunahme der Überlappung
zur Folge hat, was bei Signalbelegungen, wie der gezeigten, zu einer
Verringerung von Kreuzkopplungen führt. Eine verstärkte Überlappung dient
jedoch auch einer Steigerung der effektiven Kapazitanz der Steckerbuchse.
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Es
wird darauf hingewiesen, daß es
eine der Aufgaben des vorstehend beschriebenen Verbindungssystems
ist, die Ausbreitungsver zögerungszeit auf
einem Wert zu halten, der geringer als die Anstiegszeit des Signals
ist. Auf diese Weise wird die durch die Konstruktion des Verbindungselements verursachte,
sogenannte Reflexion im Verhältnis
zu einem Anstieg der Signalspannung effektiv in der nächsten Anstiegszeit
verborgen.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen
beschrieben und dargestellt wurde, ist für Fachleute zu erkennen, daß Modifikationen
und Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne von den vorstehend beschriebenen und in den folgenden Ansprüchen dargelegten Prinzipien
der Erfindung abzuweichen.