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DE102024000867A1 - Device for measuring the intensity of an electric current and method for producing such a device - Google Patents

Device for measuring the intensity of an electric current and method for producing such a device

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Publication number
DE102024000867A1
DE102024000867A1 DE102024000867.5A DE102024000867A DE102024000867A1 DE 102024000867 A1 DE102024000867 A1 DE 102024000867A1 DE 102024000867 A DE102024000867 A DE 102024000867A DE 102024000867 A1 DE102024000867 A1 DE 102024000867A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
circuit board
connecting element
measuring
measuring element
hole
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024000867.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Michael Schwarzkopf
Christoph Kästle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wieland Werke AG filed Critical Wieland Werke AG
Priority to DE102024000867.5A priority Critical patent/DE102024000867A1/en
Priority to TW113149435A priority patent/TW202538289A/en
Priority to PCT/EP2025/052888 priority patent/WO2025190561A1/en
Publication of DE102024000867A1 publication Critical patent/DE102024000867A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/20—Modifications of basic electric elements for use in electric measuring instruments; Structural combinations of such elements with such instruments
    • G01R1/203—Resistors used for electric measuring, e.g. decade resistors standards, resistors for comparators, series resistors, shunts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of measuring instruments, e.g. of probe tips

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  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Messung der Stärke eines elektrischen Stroms, umfassend ein Messelement (5), das geeignet ist, bei Stromfluss eine messbare physikalische Größe zu erzeugen, die ein Maß für die Stärke des elektrischen Stroms ist, eine mit einem Abstand (Z) zum Messelement (5) positionierte Leiterplatte (2) mit Leiterbahnen (21, 21', 22), die auf der Leiterplatte (2) aufgedruckt und/oder im elektrisch isolierenden Material der Leiterplatte (2) eingebettet sind, und mit mindestens einer Durchgangsbohrung (3), deren innere Oberfläche eine Auskleidung (32) aus elektrisch leitendem Material aufweist, die mit mindestens einer Leiterbahn (21, 21', 22) in elektrischem Kontakt steht, sowie ein scheiben-, plättchen-, teller-, hut- oder napfförmiges Verbindungselement (41, 42, 43), das aus elektrisch leitfähigem Flachmaterial gebildet und/oder geformt ist und das zwischen dem Messelement (5) und der Leiterplatte (2) angeordnet ist. Das Verbindungselement (41, 42, 43) ist mit der Auskleidung (32) der Durchgangsbohrung (3) stoffschlüssig verbunden und mit dem Messelement (5) in einer Schweißzone (49), die sich in der Projektion der Durchgangsbohrung (3) auf das Verbindungselement (41, 42, 43) befindet, verschweißt. Somit ist durch das Verbindungselement (41, 42, 43) und die Auskleidung (32) der Durchgangsbohrung (3) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Messelement (5) und mindestens einer Leiterbahn (21, 21', 22) der Leiterplatte (2) gebildet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zu Herstellung einer solchen Vorrichtung (1). The invention relates to a device (1) for measuring the strength of an electric current, comprising a measuring element (5) which is suitable for generating a measurable physical quantity when a current flows, which is a measure of the strength of the electric current, a printed circuit board (2) positioned at a distance (Z) from the measuring element (5) and having conductor tracks (21, 21', 22) which are printed on the printed circuit board (2) and/or embedded in the electrically insulating material of the printed circuit board (2), and at least one through-hole (3), the inner surface of which has a lining (32) made of electrically conductive material which is in electrical contact with at least one conductor track (21, 21', 22), and a disk-, plate-, plate-, hat-, or cup-shaped connecting element (41, 42, 43) which is formed and/or shaped from electrically conductive flat material and which is arranged between the measuring element (5) and the printed circuit board (2). The connecting element (41, 42, 43) is integrally connected to the lining (32) of the through-hole (3) and welded to the measuring element (5) in a welding zone (49) located in the projection of the through-hole (3) onto the connecting element (41, 42, 43). Thus, the connecting element (41, 42, 43) and the lining (32) of the through-hole (3) form an electrically conductive connection between the measuring element (5) and at least one conductor track (21, 21', 22) of the printed circuit board (2). The invention further relates to a method for producing such a device (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stroms sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device for measuring the strength of an electric current and a method for producing such a device.

Für die Strommessung in elektronischen Schaltungen werden häufig Messwiderstände verwendet, die in Reihe zu dem zu überwachenden Bauteil geschaltet sind. Dabei wird die Stromstärke nach dem Ohm'schen Gesetz aus der über dem als Shunt-Widerstand bezeichneten Messwiderstand abfallenden Spannung bestimmt. Der Wert des Widerstands wird dabei als bekannt vorausgesetzt. Die korrekte und verlässliche Messung der Stromstärke ist beispielsweise besonders wichtig in einem Batteriemanagementsystem eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.Current measurement in electronic circuits often involves using shunt resistors connected in series with the component being monitored. The current is determined according to Ohm's law from the voltage drop across the shunt resistor. The resistance value is assumed to be known. Accurate and reliable current measurement is particularly important, for example, in the battery management system of an electric or hybrid vehicle.

Eine Widerstandsanordnung, die als Shunt-Widerstand zur Messung von Stromstärken verwendet wird, umfasst mindestens ein Widerstandselement sowie zwei Anschlusselemente zum Anschließen der Widerstandsanordnung an einen Stromkreis. Die über einem Widerstandselement abfallende Spannung kann beispielsweise über Kontaktstifte, Drähte oder ähnliche Elemente, die meist beidseitig vom Widerstandselement auf den Anschlusselementen angeordnet sind, abgegriffen werden. Solche Kontaktstifte oder Drähte können auf den Anschlusselementen der Widerstandsanordnung aufgelötet, eingepresst oder aufgeschweißt sein. Eine Widerstandsanordnung mit eingepressten Kontaktstiften ist beispielsweise aus der Druckschrift US 10 163 553 B2 bekannt. Die Spannung wird von einer Mess- und Auswerteelektronik erfasst und weiterverarbeitet. Hierfür sind elektronische Bauteile vorgesehen, die auf einer Leiterplatte angeordnet sein können. Die Leiterplatte kann sich dabei in unmittelbarer Nähe der Widerstandsanordnung befinden. Die Handhabung von stift- oder pinförmigen Kontaktelementen erfordert spezielle apparative Vorrichtungen.A resistor assembly used as a shunt resistor for measuring currents comprises at least one resistance element and two terminal elements for connecting the resistor assembly to a circuit. The voltage drop across a resistance element can be tapped, for example, via contact pins, wires, or similar elements, which are usually arranged on the terminal elements on both sides of the resistance element. Such contact pins or wires can be soldered, pressed, or welded onto the terminal elements of the resistor assembly. A resistor assembly with pressed-in contact pins is known, for example, from the publication US 10 163 553 B2 The voltage is recorded and further processed by measurement and evaluation electronics. Electronic components are provided for this purpose, which can be arranged on a circuit board. The circuit board can be located in the immediate vicinity of the resistor arrangement. Handling pin-shaped contact elements requires special equipment.

Aus der Druckschrift DE 10 2009 031 408 A1 ist eine Widerstandsanordnung mit einem niederohmigen Strommesswiderstand bekannt. Bei dieser Widerstandsanordnung sind zum Abgriff der Spannung Anschlusskontakte vorgesehen, die durch Ausprägung und Gewindeformung in den plattenförmigen Teilstücken, die zum Anschluss der Widerstandsanordnung an den äußeren Stromkreis dienen, gebildet sind. Der Anschluss der Messleitungen zur Spannungsmessung an die Anschlusskontakte erfolgt mittels Kabelschuhen und Befestigungsschrauben.From the printed matter DE 10 2009 031 408 A1 A resistor arrangement with a low-ohm current measuring resistor is known. In this resistor arrangement, connecting contacts are provided for tapping the voltage. These contacts are formed by stamping and threading in the plate-shaped sections that serve to connect the resistor arrangement to the external circuit. The measuring leads for voltage measurement are connected to the connecting contacts using cable lugs and fastening screws.

Aus der Druckschrift DE 10 2022 109 709 A1 ist eine Strommesseinrichtung und ein zugehöriges Herstellungsverfahren bekannt. Zur Herstellung einer elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen dem Strommesswiderstand und einer Leiterbahn wird eine Leiterbahn, die entweder auf der Unterseite der Leiterplatte aufgebracht ist oder im isolierenden Material der Leiterplatte eingebettet ist, freigelegt, indem auf der vom Strommesswiderstand abgewandten Seite der Leiterplatte und bei Bedarf auch auf deren anderer Seite ein Sackloch in das isolierende Material der Leiterplatte eingebracht wird. Das Sackloch reicht genau bis zur Leiterbahn. Die Leiterbahn wird im freigelegten Bereich mit dem Strommesswiderstand verschweißt. Beim Einbringen des Sacklochs ist darauf zu achten, dass die Leiterbahn nicht beschädigt wird. Dies ist schwierig, weil beispielsweise aufgrund der im Allgemeinen spitz zulaufende Kontur eines Bohrers der Boden des Sacklochs nicht eben, sondern trichterförmig ist. Die verbleibende Dicke der Leiterbahn ist deshalb inhomogen und weist eine punktförmige Schwachstelle auf. Ferner besteht das Risiko, dass Späne und andere Partikel in der Sacklochbohrung bleiben. Die Anforderungen an die Sauberkeit können nicht sicher erreicht werden.From the printed matter DE 10 2022 109 709 A1 A current measuring device and an associated manufacturing method are known. To create an electrical and mechanical connection between the current measuring resistor and a conductor track, a conductor track, which is either applied to the underside of the circuit board or embedded in the insulating material of the circuit board, is exposed by drilling a blind hole in the insulating material of the circuit board on the side of the circuit board facing away from the current measuring resistor and, if necessary, on the other side as well. The blind hole reaches exactly to the conductor track. The conductor track is welded to the current measuring resistor in the exposed area. When drilling the blind hole, care must be taken to ensure that the conductor track is not damaged. This is difficult because, for example, due to the generally tapered contour of a drill, the bottom of the blind hole is not flat but funnel-shaped. The remaining thickness of the conductor track is therefore inhomogeneous and has a point-like weak point. Furthermore, there is a risk that chips and other particles will remain in the blind hole. The cleanliness requirements cannot be reliably met.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile der bekannten Vorrichtungen und Herstellverfahren zu beseitigen, also eine Vorrichtung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stroms anzugeben, deren Herstellung einfacher, robuster und kostengünstiger als die Herstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung anzugeben.The invention is therefore based on the object of eliminating the described disadvantages of the known devices and manufacturing methods, i.e., to provide a device for measuring the strength of an electric current whose manufacture is simpler, more robust, and more cost-effective than the manufacture of the devices known from the prior art. Furthermore, the invention is based on the object of providing a method for manufacturing such a device.

Die Erfindung wird bezüglich einer Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens durch die Merkmale des Anspruch 12 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is represented with respect to a device by the features of claim 1 and with respect to a method by the features of claim 12. The further dependent claims relate to advantageous embodiments and developments of the invention.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stroms. Die Vorrichtung umfasst ein Messelement, das geeignet ist, bei Durchfluss von Strom durch das Messelement eine messbare physikalische Größe zu erzeugen, die ein Maß für die Stärke des elektrischen Stroms ist, der durch das Messelement fließt. Eine solche physikalische Größe kann beispielsweise eine elektrische Spannung, die bei Stromfluss über einem elektrischen Widerstand abfällt, oder ein Magnetfeld sein, das einen stromdurchflossenen Leiter umgibt. Die Vorrichtung umfasst ferner eine mit einem Abstand zum Messelement positionierte Leiterplatte aus elektrisch isolierendem Material. Die Leiterplatte weist Leiterbahnen auf, die zumindest auf einer der Oberflächen der Leiterplatte, bevorzugt zumindest auf der vom Messelement abgewandten Oberfläche der Leiterplatte, aufgedruckt und/oder im elektrisch isolierenden Material der Leiterplatte eingebettet sind. Ferner ist in der Leiterplatte mindestens eine Durchgangsbohrung vorhanden, deren innere Oberfläche eine Auskleidung aus elektrisch leitfähigem Material aufweist. Die Auskleidung steht mit mindestens einer Leiterbahn der Leiterplatte in elektrischem Kontakt. Die Auskleidung bedeckt das elektrisch isolierende Material der Leiterplatte, welches nach dem Einbringen der Durchgangsbohrung im Wesentlichen die innere Oberfläche der Durchgangsbohrung bildet. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens ein scheiben-, plättchen-, teller-, hut- oder napfförmiges Verbindungselement, das aus elektrisch leitfähigem Flachmaterial mit einer bestimmten Materialdicke gebildet und/oder geformt ist, und das zwischen dem Messelement und der Leiterplatte angeordnet ist. Das Verbindungselement weist in Richtung parallel zur Leiterplatte eine laterale Erstreckung auf, die größer als die Materialdicke des Flachmaterials ist. Das Verbindungselement ist einerseits mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung stoffschlüssig, insbesondere durch Löten, Sintern oder Kleben, elektrisch leitend verbunden. Andererseits ist das Verbindungselement mit dem Messelement in einer Schweißzone, die sich in der Projektion der Durchgangsbohrung auf das Verbindungselement befindet, verschweißt. Auf diese Weise ist durch das Verbindungselement in Kombination mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Messelement und mindestens einer Leiterbahn der Leiterplatte gebildet.The invention relates to a device for measuring the strength of an electric current. The device comprises a measuring element which, when current flows through the measuring element, is suitable for generating a measurable physical quantity which is a measure of the strength of the electric current flowing through the measuring element. Such a physical quantity can, for example, be an electrical voltage which drops across an electrical resistor when current flows, or a magnetic field which surrounds a conductor through which current flows. The device further comprises a printed circuit board made of electrically insulating material which is positioned at a distance from the measuring element. The printed circuit board has conductor tracks which are arranged on at least one of the surfaces of the printed circuit board, preferably at least on the surface facing away from the measuring element. the circuit board, are printed and/or embedded in the electrically insulating material of the circuit board. Furthermore, there is at least one through-hole in the circuit board, the inner surface of which has a lining made of electrically conductive material. The lining is in electrical contact with at least one conductor track of the circuit board. The lining covers the electrically insulating material of the circuit board, which, after the through-hole has been made, essentially forms the inner surface of the through-hole. Furthermore, the device comprises at least one disc-, plate-, plate-, hat-, or cup-shaped connecting element, which is formed and/or shaped from electrically conductive flat material with a specific material thickness and which is arranged between the measuring element and the circuit board. The connecting element has a lateral extension in a direction parallel to the circuit board that is greater than the material thickness of the flat material. On the one hand, the connecting element is electrically conductively connected to the lining of the through-hole in a material-to-material manner, in particular by soldering, sintering, or gluing. On the other hand, the connecting element is welded to the measuring element in a welding zone located in the projection of the through-hole onto the connecting element. In this way, the connecting element, in combination with the lining of the through-hole, forms an electrically conductive connection between the measuring element and at least one conductor track of the circuit board.

Das Verbindungselement ist ein zusätzliches Bauteil, das zwischen der Leiterplatte und dem Messelement eingefügt ist und eine elektrische Verbindung vom Messelement zur Auskleidung der Durchgangsbohrung der Leiterplatte und somit letztendlich zu einer Leiterbahn herstellt. Zugleich stellt das Verbindungselement eine mechanische Verbindung zwischen dem Messelement und der Leiterplatte dar. Das Verbindungselement besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall oder einer Legierung. Das Verbindungselement ist aus einem Flachmaterial, also einem Material mit zwei zueinander planparallelen ebenen Oberflächen, hergestellt. Das Flachmaterial kann bevorzugt ein Metallband, ein Metallblech oder ein Metallstreifen sein. Die Dicke des Flachmaterials, also der Abstand seiner planparallelen Oberflächen, beträgt typischerweise 0,1 bis 1,5 mm, bevorzugt 0,2 bis 0,8 mm. Die Herstellung des Verbindungselements umfasst üblicherweise einen Stanzvorgang. Die Kontur des gestanzten Teils ist dabei frei wählbar. Einfache Konturen wie Kreise, Sechsecke, Rechtecke oder Quadrate sind bevorzugt. Das gestanzte Teil hat eine laterale Erstreckung, die größer, üblicherweise um ein Vielfaches größer als seine Dicke ist. Bevorzugt ist die laterale Erstreckung des gestanzten Teils mindestens fünfmal so groß wie seine Dicke. Als laterale Erstreckung ist bei einem kreisförmigen Stanzteil dessen Durchmesser und bei einem sechseckigen Stanzteil der Durchmesser seines Umkreises zu verstehen. Bei einem rechteckigen oder quadratischen Stanzteil kann als laterale Erstreckung die Länge seiner Kanten oder auch die Länge der Diagonale gesehen werden.The connecting element is an additional component that is inserted between the circuit board and the measuring element and establishes an electrical connection from the measuring element to the lining of the through-hole of the circuit board and thus ultimately to a conductor track. At the same time, the connecting element represents a mechanical connection between the measuring element and the circuit board. The connecting element consists of an electrically conductive material, in particular a metal or an alloy. The connecting element is made of a flat material, i.e. a material with two plane-parallel flat surfaces. The flat material can preferably be a metal strip, a metal sheet, or a metal strip. The thickness of the flat material, i.e. the distance between its plane-parallel surfaces, is typically 0.1 to 1.5 mm, preferably 0.2 to 0.8 mm. The production of the connecting element usually involves a punching process. The contour of the punched part can be freely selected. Simple contours such as circles, hexagons, rectangles, or squares are preferred. The punched part has a lateral extension that is greater, usually several times greater, than its thickness. The lateral extension of the punched part is preferably at least five times its thickness. For a circular punched part, the lateral extension is defined as its diameter, and for a hexagonal punched part, the diameter of its circumference. For a rectangular or square punched part, the lateral extension can be defined as the length of its edges or the length of its diagonal.

Aufgrund der geringen Dicke des Flachmaterials sind beim Stanzen des Verbindungselements und bei optionalen, weiteren formgebenden Schritten nur geringe Kräfte notwendig.Due to the low thickness of the flat material, only low forces are required when punching the connecting element and during optional, further forming steps.

In der einfachsten Form ist das Verbindungselement scheiben- oder plättchenförmig. In diesen Fällen erfolgt die Formgebung im Wesentlichen allein durch den Stanzprozess, also durch das Heraustrennen aus dem Flachmaterial. Das Verbindungselement ist im Wesentlichen eben. Es ermöglicht einen Abstand zwischen Leiterplatte und Messelement zu überbrücken, der so groß wie seine Dicke ist.In its simplest form, the connecting element is disc- or plate-shaped. In these cases, the shape is essentially achieved solely through the punching process, i.e., by cutting the element out of the flat material. The connecting element is essentially flat. It allows a gap between the circuit board and the measuring element to be bridged that is as large as its thickness.

Wenn der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem zu kontaktierenden Teil des Messelements größer als die Dicke des Flachmaterials des Verbindungselements ist, muss das Verbindungselement zusätzlich verformt werden, um den Unterschied auszugleichen. Hierzu kann beispielsweise ein kreisrundes Stanzteil zu einem tellerförmigen Verbindungselement geformt werden. Wie bei einem Teller weist ein solches Verbindungselement einen Versatz zwischen seinem zentralen Bereich („Boden des Tellers“) und seinem Rand („Tellerrand“) auf. Der Übergang zwischen Rand und Boden erfolgt durch eine geneigte, insbesondere konisch geformte Flanke. Der Rand des tellerförmigen Verbindungselements wird mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung stoffschlüssig verbunden, während der zentrale Bereich mit dem Messelement verschweißt wird. Ein tellerförmiges Verbindungselement kann durch Pressen oder durch einen kombinierten Stanz-Biege-Prozess oder ähnliche Verfahren hergestellt werden.If the distance between the circuit board and the part of the measuring element to be contacted is greater than the thickness of the flat material of the connecting element, the connecting element must be additionally deformed to compensate for the difference. For example, a circular stamped part can be formed into a plate-shaped connecting element. Like a plate, such a connecting element has an offset between its central area ("base of the plate") and its edge ("plate edge"). The transition between edge and base is created by an inclined, particularly conical flank. The edge of the plate-shaped connecting element is integrally bonded to the lining of the through-hole, while the central area is welded to the measuring element. A plate-shaped connecting element can be manufactured by pressing or by a combined punching and bending process or similar methods.

Wenn der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem zu kontaktierenden Teil des Messelements wesentlich größer als die Dicke des Flachmaterials des Verbindungselements ist, muss das Verbindungselement stärker als bei einer Tellerform verformt werden, um den Unterschied auszugleichen. Hierzu kann beispielsweise ein kreisrundes Stanzteil zu einem hut- oder napfförmigen Verbindungselement geformt werden. Wie bei einem Hut oder bei einem Napf weist ein solches Verbindungselement einen großen Versatz zwischen seinem zentralen Bereich („Boden des Napfs“) und seinem Rand („Hutkrempe“) auf. Der Übergang zwischen Rand und Boden erfolgt durch eine Flanke, die im Wesentlichen senkrecht zum zentralen Bereich und zum Rand ist. Der Rand des hut- oder napfförmigen Verbindungselements wird mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung stoffschlüssig verbunden, während der zentrale Bereich mit dem Messelement verschweißt wird. Ein hut- oder napfförmiges Verbindungselement kann durch Stanzen und Tiefziehen oder durch einen kombinierten Stanz-Tiefzieh-Prozess oder ähnliche Verfahren hergestellt werden.If the distance between the circuit board and the part of the measuring element to be contacted is significantly greater than the thickness of the flat material of the connecting element, the connecting element must be deformed more than with a plate shape in order to compensate for the difference. For this purpose, for example, a circular stamped part can be formed into a hat- or cup-shaped connecting element. Like a hat or a cup, such a connecting element has a large offset between its central area (“bottom of the cup”) and its edge (“hat brim”). The transition between the edge and the base is formed by a flank that is essentially perpendicular to the central area and to the The edge of the hat- or cup-shaped fastener is bonded to the lining of the through-hole, while the central area is welded to the measuring element. A hat- or cup-shaped fastener can be manufactured by stamping and deep drawing or by a combined stamping and deep drawing process or similar methods.

Der besondere Vorteil der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass zu ihrer Herstellung auf etablierte Herstellverfahren, wie das Bestücken einer Leiterplatte und beispielsweise Laserschweißen, zurückgegriffen werden kann. Diese bereits eingesetzten Herstellverfahren werden durch einfache zusätzliche Schritte ergänzt. Insbesondere ist die Herstellung eines Verbindungselements als Stanzteil oder als Stanz-Umformteil sehr einfach und sehr flexibel. Es können hierfür eine Vielzahl von gut verfügbaren und günstigen Werkstoffen und Materialien verwendet werden. Auch können in einer Vorrichtung Verbindungselemente aus unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt werden. Ferner können bei der Herstellung der Verbindungselemente die Anforderungen an die Sauberkeit der Bauteile sehr gut eingehalten werden. Die konstante Materialdicke des Verbindungselements sorgt für günstige Prozessbedingungen in den jeweiligen Fügeschritten. Ferner kann die Oberfläche eines Verbindungselements beispielsweise mit Nickel, Zinn, Silber oder Gold beschichtet werden. Damit ist das Verbindungselement beständig gegen unerwünschte Umwelteinflüsse.The particular advantage of the device described is that it can be manufactured using established manufacturing processes, such as assembling a printed circuit board and, for example, laser welding. These already used manufacturing processes are supplemented by simple additional steps. In particular, the production of a connecting element as a stamped part or as a stamped and formed part is very simple and very flexible. A wide variety of readily available and inexpensive materials can be used for this purpose. Fasteners made of different materials can also be used in one device. Furthermore, the requirements for component cleanliness can be met very well during the manufacture of the connecting elements. The constant material thickness of the connecting element ensures favorable process conditions in the respective joining steps. Furthermore, the surface of a connecting element can be coated with nickel, tin, silver, or gold, for example. This makes the connecting element resistant to undesirable environmental influences.

Ferner kann auf die bei Leiterplatten etablierte Durchkontaktierung mittels Durchgangsbohrungen (Vias) zurückgegriffen werden. Das Einbringen von Durchgangsbohrungen in eine Leiterplatte ist ein einfacher, standardisierter, robuster und gut beherrschbarer Prozess. Eine Durchgangsbohrung ermöglicht das Verschweißen des Verbindungselements mit dem Messelement durch die Durchgangsbohrung hindurch. Dabei muss lediglich das dünne Material des Verbindungselements und eine dünne Zone an der Oberfläche des Messelements erwärmt und aufgeschmolzen werden. Es genügt also ein geringer Energieeintrag. Die Durchgangbohrungen sind auf ihrer Innenseite mit einer bevorzugt metallischen Auskleidung versehen, die vollflächig die Innenseite bedeckt. Somit ist beim Verschweißen des Verbindungselements mit dem Messelement das Material der Leiterplatte nicht unmittelbar Substanzen ausgesetzt, die beim Schweißprozess freigesetzt werden. Die Bildung von Schmauch wird somit weitgehend ausgeschlossen.Furthermore, the through-hole plating method established for printed circuit boards using through-holes (vias) can be used. Creating through-holes in a printed circuit board is a simple, standardized, robust, and easily manageable process. A through-hole enables the welding of the connecting element to the measuring element through the through-hole. This only requires heating and melting the thin material of the connecting element and a thin zone on the surface of the measuring element. A low energy input is therefore sufficient. The through-holes are provided with a lining, preferably metallic, on the inside, which completely covers the inside. This means that when the connecting element is welded to the measuring element, the material of the printed circuit board is not directly exposed to substances released during the welding process. The formation of smoke is thus largely eliminated.

Im Rahmen einer besonderen Ausführungsform kann sich die Schweißzone über die gesamte Materialdicke des Flachmaterials des Verbindungselements erstrecken. Ein vollständiges Aufschmelzen des Materials des Verbindungselements über seine gesamte Dicke führt zu einem homogenen Gefüge in der Schweißzone. Dies verbessert nicht nur die mechanische Stabilität, sondern reduziert auch den Einfluss unerwünschter parasitärer Spannungen auf das Messsignal.In a special embodiment, the welding zone can extend across the entire thickness of the flat material of the connecting element. Complete melting of the connecting element material across its entire thickness results in a homogeneous microstructure in the welding zone. This not only improves mechanical stability but also reduces the influence of unwanted parasitic stresses on the measurement signal.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform kann die laterale Erstreckung des Verbindungselements größer als der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung der Leiterplatte sein. Hierdurch wird der Fügeprozess zwischen Verbindungselement und Auskleidung sicherer, also weniger fehleranfällig, und die elektrische und mechanische Verbindung stabiler.In another embodiment, the lateral extension of the connecting element can be larger than the inner diameter of the through-hole in the circuit board. This makes the joining process between the connecting element and the lining more reliable, thus less prone to errors, and the electrical and mechanical connection more stable.

Vorteilhafterweise kann die laterale Erstreckung des Verbindungselements größer als der Abstand zwischen dem Messelement und der Leiterplatte sein. Im Unterschied zu einem pin- oder stiftförmigen Verbindungselement ist die Erstreckung des Verbindungselements in Richtung parallel zur Oberfläche der Leiterplatte größer als der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Messelement an der Stelle, an welcher der elektrische Kontakt zwischen dem Messelement und der Leiterplatte realisiert ist. Dies verbessert die Sicherheit im Herstellprozess und erhöht die mechanische Stabilität der Vorrichtung.Advantageously, the lateral extension of the connecting element can be greater than the distance between the measuring element and the circuit board. Unlike a pin- or stud-shaped connecting element, the extension of the connecting element in the direction parallel to the surface of the circuit board is greater than the distance between the circuit board and the measuring element at the point where the electrical contact between the measuring element and the circuit board is established. This improves safety in the manufacturing process and increases the mechanical stability of the device.

Im Rahmen einer besonders einfachen und somit besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Verbindungselement scheiben- oder plättchenförmig sein. Die transversale Erstreckung des Verbindungselements, die senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte gemessen wird, ist dann identisch zur Dicke des Flachmaterials, aus dem das Verbindungselement hergestellt wurde. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem zu kontaktierenden Teil des Messelements im Wesentlichen gleich der Materialdicke des Flachmaterials, also ungefähr so groß wie die Materialdicke des Flachmaterials.In a particularly simple and thus particularly advantageous embodiment, the connecting element can be disc- or plate-shaped. The transverse extension of the connecting element, measured perpendicular to the surface of the circuit board, is then identical to the thickness of the flat material from which the connecting element was made. In this embodiment, the distance between the circuit board and the part of the measuring element to be contacted is essentially equal to the material thickness of the flat material, i.e., approximately the same as the material thickness of the flat material.

Im Rahmen einer hierzu alternativen Ausführungsform kann das Verbindungselement tellerförmig sein. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Messelement größer als die Materialdicke des Flachmaterials. Ein tellerförmiges Verbindungselement ermöglicht die Verbindung zwischen Leiterplatte und Messelement in Fällen, in denen der Abstand maximal das Dreifache der Materialdicke des Verbindungselements ist. Der im Vergleich zu einem scheiben- oder plättchenförmigen Verbindungselement größere Abstand zwischen Leiterplatte und Messelement bewirkt eine bessere Wärmeabfuhr vom Messelement, also eine thermische Entkopplung von Messelement und Leiterplatte. Dies verbessert die Messgenauigkeit und die Lebensdauer von elektronischen Bauteilen, die auf der Leiterplatte vorhanden sind.In an alternative embodiment, the connecting element can be plate-shaped. In this embodiment, the distance between the circuit board and the measuring element is greater than the material thickness of the flat material. A plate-shaped connecting element enables the connection between the circuit board and the measuring element in cases where the distance is a maximum of three times the material thickness of the connecting element. The larger distance between the circuit board and the measuring element compared to a disc- or plate-shaped connecting element results in better heat dissipation from the measuring element, thus thermal decoupling of the measuring element and the circuit board. This improves the measuring accuracy and the service life of electronic components present on the circuit board.

Im Rahmen einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Verbindungselement hut- oder napfförmig sein. Bei diesen Ausführungsformen ist der Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Messelement mindestens doppelt so groß wie die Materialdicke des Flachmaterials. Wie bei einem tellerförmigen Verbindungselement führt der größere Abstand zu einer thermischen Entkopplung von Messelement und Leiterplatte. Darüber hinaus ermöglicht ein großer Abstand zwischen Leiterplatte und Messelement eine beidseitige Bestückung der Leiterplatte.In another alternative embodiment, the connecting element can be hat- or cup-shaped. In these embodiments, the distance between the circuit board and the measuring element is at least twice the thickness of the flat material. As with a cup-shaped connecting element, the larger distance leads to thermal decoupling of the measuring element and the circuit board. Furthermore, a large distance between the circuit board and the measuring element allows for components to be mounted on both sides of the circuit board.

Ein tellerförmiges Verbindungselement kann eine lediglich gering ausgeprägte Vertiefung (wie bei einem Dessertteller) oder eine deutlich ausgeprägte Vertiefung (wie bei einem Suppenteller) aufweisen. Der Übergang von einem scheiben- oder plättchenförmigem Verbindungselement zu einem tellerförmigen Verbindungselement ist somit fließend. In analoger Weise ist auch der Übergang von einem tellerförmigen Verbindungselement zu einem hut- oder napfförmig Verbindungselement fließend. Für den Fachmann ist somit offensichtlich, dass sämtliche denkbaren Zwischenformen und Abwandlungen von scheiben-, plättchen-, teller-, hut- oder napfförmigen Verbindungselementen im Rahmen dieser Erfindung als offenbart anzusehen sind und von der Erfindung erfasst sind.A plate-shaped connecting element can have only a slightly pronounced recess (as in a dessert plate) or a clearly pronounced recess (as in a soup plate). The transition from a disc- or plate-shaped connecting element to a plate-shaped connecting element is thus fluid. Similarly, the transition from a plate-shaped connecting element to a hat- or bowl-shaped connecting element is also fluid. It is therefore obvious to the person skilled in the art that all conceivable intermediate forms and modifications of disc-, plate-, plate-, hat-, or bowl-shaped connecting elements are to be considered disclosed within the scope of this invention and are encompassed by the invention.

Im Rahmen einer besonderen Ausgestaltung kann das Verbindungselement von seinem äußeren Rand beabstandete Durchbrüche aufweisen, wodurch in der Projektion der Durchgangsbohrung eine gitterartige Struktur im Material des Verbindungselements gebildet ist. Das Verbindungselement ist bei dieser Ausgestaltung an einem Kreuzungspunkt der gitterartigen Struktur mit dem Messelement verschweißt. Die Aussparungen verbessern den Lötprozess, mittels dessen das Verbindungselement mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung verbunden werden kann, weil die Kapillarbildung des Lots begünstigt wird. Das Lot befindet sich dann bevorzugt in einem ringförmigen Bereich am äußeren Rand, also genau dort, wo das Verbindungselement mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung verlötet werden soll. Ferner verbessert diese Ausgestaltung des Verbindungselements die thermische Entkopplung von Messelement und Leiterplatte weiter. Diese besondere Ausgestaltung des Verbindungselements kann bei einem scheiben-, plättchen-, teller-, hut- oder napfförmigen Verbindungselement sowie bei allen denkbaren Zwischenformen und Abwandlungen verwendet werden.In a special embodiment, the connecting element can have openings spaced from its outer edge, whereby a grid-like structure is formed in the material of the connecting element in the projection of the through-hole. In this embodiment, the connecting element is welded to the measuring element at an intersection point of the grid-like structure. The recesses improve the soldering process by means of which the connecting element can be connected to the lining of the through-hole because the capillary formation of the solder is promoted. The solder is then preferably located in an annular region on the outer edge, i.e. exactly where the connecting element is to be soldered to the lining of the through-hole. Furthermore, this design of the connecting element further improves the thermal decoupling of the measuring element and the circuit board. This special design of the connecting element can be used for a disc-, plate-, plate-, hat-, or cup-shaped connecting element, as well as for all conceivable intermediate forms and modifications.

Im Rahmen einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das Messelement eine Widerstandsanordnung, also ein Shunt-Widerstand sein mit mindestens einem Widerstandselement und mit Anschlusselementen, mittels derer das Messelement an einen äußeren Stromkreis anschließbar ist. Das Widerstandselement einerseits und die Anschlusselemente andererseits bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen, üblicherweise metallischen Werkstoffen. Dabei kann der spezifische elektrische Widerstand des Werkstoffs des Widerstandselements mindestens um einen Faktor 10 größer als der spezifische elektrische Widerstand des Werkstoffs der Anschlusselemente sein. Andererseits ist der Betrag des Widerstandstemperaturkoeffizienten des Werkstoffs der Anschlusselemente viel größer, typischerweise mindestens um einen Faktor 50 größer als der Betrag des Widerstandstemperaturkoeffizienten des Werkstoffs des Widerstandselements. Insbesondere kann der Betrag des Widerstandstemperaturkoeffizienten des Werkstoffs des Widerstandselements weniger als 5·10-5 1/K betragen, während der Widerstandstemperaturkoeffizient des Werkstoffs der Anschlusselemente ungefähr 4·10-3 1/K betragen kann. Die Anschlusselemente der Widerstandsanordnung können insbesondere aus Kupfer, einer bevorzugt niedriglegierten Kupferlegierung, aus Aluminium oder einer bevorzugt niedriglegierten Aluminiumlegierung bestehen oder mindestens einen dieser Werkstoffe umfassen. Das Widerstandselement kann insbesondere aus einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung sein, die als Widerstandslegierung üblicherweise verwendet wird. Die Anschlusselemente und das Widerstandselement einer Widerstandsanordnung sind bevorzugt jeweils als platten- oder streifenförmige Elemente ausgeführt und in planarer Weise nebeneinander in einer Reihe angeordnet. Das Widerstandselement ist an zwei gegenüberliegenden Seiten über jeweils eine Fügenaht, insbesondere durch eine Schweißnaht, mechanisch und elektrisch leitend mit jeweils einem Anschlusselement verbunden.Within the scope of a particular embodiment of the invention, the measuring element can be a resistance arrangement, i.e., a shunt resistor with at least one resistance element and with connection elements by means of which the measuring element can be connected to an external circuit. The resistance element, on the one hand, and the connection elements, on the other hand, are made of different materials, usually metallic materials. The specific electrical resistance of the material of the resistance element can be at least a factor of 10 greater than the specific electrical resistance of the material of the connection elements. On the other hand, the absolute value of the temperature coefficient of resistance of the material of the connection elements is much greater, typically at least a factor of 50 greater than the absolute value of the temperature coefficient of resistance of the material of the resistance element. In particular, the absolute value of the temperature coefficient of resistance of the material of the resistance element can be less than 5 10 -5 1/K, while the temperature coefficient of resistance of the material of the connection elements can be approximately 4 10 -3 1/K. The connection elements of the resistor arrangement can be made, in particular, of copper, a preferably low-alloy copper alloy, of aluminum, or a preferably low-alloy aluminum alloy, or can comprise at least one of these materials. The resistor element can be made, in particular, of a copper alloy or an aluminum alloy, which is commonly used as a resistor alloy. The connection elements and the resistor element of a resistor arrangement are preferably each designed as plate- or strip-shaped elements and arranged side by side in a row in a planar manner. The resistor element is mechanically and electrically connected to a connection element on two opposite sides via a joining seam, in particular by a weld seam.

Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann das Verbindungselement aus dem gleichen Material wie mindestens ein Anschlusselement der Widerstandsanordnung sein und das Verbindungselement kann mit diesem Anschlusselement der Widerstandsanordnung verschweißt sein. Die Identität der Materialien begünstigt die Schweißverbindung. Ferner sind in diesem Fall die Materialien von Anschlusselement, Verbindungselement, Auskleidung der Durchgangsbohrung und Leiterbahn alle identisch und bevorzugt aus Kupfer. Die reduziert den Einfluss von parasitären Spannungen auf das Messsignal.Within the scope of a special refinement of this embodiment, the connecting element can be made of the same material as at least one terminal element of the resistor arrangement, and the connecting element can be welded to this terminal element of the resistor arrangement. The identical materials promote the welded connection. Furthermore, in this case, the materials of the terminal element, connecting element, through-hole lining, and conductor track are all identical and preferably made of copper. This reduces the influence of parasitic voltages on the measurement signal.

Im Rahmen einer hierzu alternativen Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann das Verbindungselement aus dem gleichen Material wie das Widerstandselement der Widerstandsanordnung sein und das Verbindungselement kann mit dem Widerstandselement der Widerstandsanordnung verschweißt sein. Bei dieser alternativen Ausgestaltung ist das Verbindungselement also beispielsweise aus einer Widerstandslegierung, während die Auskleidung der Durchgangsbohrung üblicherweise aus einem anderen Material als das Verbindungselement, nämlich üblicherweise aus Kupfer ist. Die beiden unterschiedlichen Materialien können problemlos verlötet oder verklebt werden. Das Verschweißen des Verbindungselements mit dem Widerstandselement der Widerstandsanordnung erfolgt dann nachgelagert bei identischen Werkstoffen. Durch Auswahl des Materials des Verbindungselements erfolgt der Werkstoffwechsel von Kupfer auf die Widerstandslegierung somit an der Löt- oder Klebeverbindung und nicht an der Schweißstelle.In an alternative embodiment of this embodiment, the connecting element can be made of the same material as the resistance element of the resistance arrangement and the connecting element can be welded to the resistance element of the resistor arrangement. In this alternative design, the connecting element is made of a resistance alloy, for example, while the lining of the through-hole is usually made of a different material than the connecting element, namely copper. The two different materials can be easily soldered or glued together. The welding of the connecting element to the resistance element of the resistor arrangement then takes place downstream using identical materials. By selecting the material of the connecting element, the material change from copper to the resistance alloy takes place at the soldered or glued connection and not at the weld point.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie auf die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ausführungsbeispiele verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the device according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention as well as to the figures, the description of the figures and the exemplary embodiments.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

  1. a) Bereitstellen einer Leiterplatte aus elektrisch isolierendem Material mit Leiterbahnen, die zumindest auf einer Oberfläche der Leiterplatte aufgedruckt und/oder im elektrisch isolierenden Material der Leiterplatte eingebettet sind, und mit mindestens einer Durchgangsbohrung, deren innere Oberfläche eine Auskleidung aus elektrisch leitendem Material aufweist, die mit mindestens einer Leiterbahn der Leiterplatte in elektrischem Kontakt steht,
  2. b) Bereitstellen eines scheiben-, plättchen-, teller-, hut- oder napfförmigen Verbindungselements, das aus elektrisch leitfähigem Flachmaterial mit einer Materialdicke gebildet und/oder geformt ist und eine laterale Erstreckung aufweist, die größer als die Materialdicke des Flachmaterials ist,
  3. c) Bereitstellen eines Messelements, das geeignet ist, bei Durchfluss von Strom durch das Messelement eine messbare physikalische Größe zu erzeugen, die ein Maß für die Stärke des elektrischen Stroms ist,
  4. d) Stoffschlüssiges Verbinden des Verbindungselements mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung der Leiterplatte unter Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts, so dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Leiterbahn und dem Verbindungselement gebildet wird,
  5. e) Verschweißen des Verbindungselements mit dem Messelement, wobei die für den Schweißvorgang notwendige Energie durch die Durchgangsbohrung der Leiterplatte hindurch in eine Schweißzone eingebracht wird.
A further aspect of the invention relates to a method for producing a device described above, the method comprising the following steps:
  1. a) providing a printed circuit board made of electrically insulating material with conductor tracks printed on at least one surface of the printed circuit board and/or embedded in the electrically insulating material of the printed circuit board, and with at least one through-hole, the inner surface of which has a lining made of electrically conductive material which is in electrical contact with at least one conductor track of the printed circuit board,
  2. b) providing a disc-, plate-, plate-, hat- or cup-shaped connecting element which is formed and/or shaped from electrically conductive flat material with a material thickness and has a lateral extension which is greater than the material thickness of the flat material,
  3. c) providing a measuring element which is suitable for generating a measurable physical quantity which is a measure of the strength of the electric current when current flows through the measuring element,
  4. d) Bonding the connecting element to the lining of the through-hole of the printed circuit board, thereby creating an electrically conductive contact, so that an electrically conductive connection is formed between at least one conductor track and the connecting element,
  5. e) Welding the connecting element to the measuring element, whereby the energy required for the welding process is introduced into a welding zone through the through-hole of the circuit board.

Das stoffschlüssige Verbinden in Verfahrensschritt d) erfolgt bevorzugt durch Löten, Sintern oder Kleben. Das Verbindungselement hat eine viel kleinere thermische Masse als das Messelement. Deshalb muss beim Verlöten des Verbindungselements mit der Auskleidung der Durchgangsbohrung der Leiterplatte viel weniger Wärme eingebracht werden, als wenn die Auskleidung der Durchgangsbohrung der Leiterplatte direkt mit dem Messelement verlötet werden würde. Durch die Verwendung des Verbindungselements ist die thermische Belastung der Leiterplatte beim Löten somit deutlich geringer.The material connection in process step d) is preferably achieved by soldering, sintering, or gluing. The connecting element has a much lower thermal mass than the measuring element. Therefore, much less heat must be introduced when soldering the connecting element to the lining of the circuit board's through-hole than if the lining of the circuit board's through-hole were soldered directly to the measuring element. Using the connecting element therefore significantly reduces the thermal stress on the circuit board during soldering.

Die Kontaktierung des Messelements erfolgt in Schritt e) durch einen Schweißvorgang. Der Schweißvorgang kann beispielsweise Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Ultraschallschweißen sein. Weil die der Leiterplatte zugewandte Seite des Verbindungselements an der Stelle, an der das Verbindungselement mit dem Messelement verschweißt werden soll, durch die Durchgangsbohrung hindurch zugänglich ist, kann die für den Schweißvorgang notwendige Energie durch die Durchgangsbohrung der Leiterplatte hindurch eingebracht werden. Dies kann beispielsweise durch einen Laserstrahl oder durch einen Elektronenstrahl erfolgen. Dabei muss lediglich das dünne Material des Verbindungselements und eine dünne Zone an der Oberfläche des Messelements erwärmt und aufgeschmolzen werden. Es ist also nicht erforderlich, die für den Schweißvorgang erforderliche Energie auf der von der Leiterplatte abgewandten Seite des Messelements einzubringen. Aufgrund der großen thermischen Masse des Messelements müsste in diesem Fall viel mehr Energie eingebracht werden. Das Einbringen der Energie durch die Durchgangsbohrung der Leiterplatte hindurch setzt implizit voraus, dass Verfahrensschritt e) nach Verfahrensschritt d) erfolgt. Ferner kann Verfahrensschritt d) vor Verfahrensschritt c) erfolgen.Contacting of the measuring element takes place in step e) by a welding process. The welding process can be, for example, laser welding, electron beam welding, or ultrasonic welding. Because the side of the connecting element facing the circuit board is accessible through the through-hole at the point where the connecting element is to be welded to the measuring element, the energy required for the welding process can be introduced through the through-hole of the circuit board. This can be done, for example, using a laser beam or an electron beam. Only the thin material of the connecting element and a thin zone on the surface of the measuring element need to be heated and melted. It is therefore not necessary to introduce the energy required for the welding process on the side of the measuring element facing away from the circuit board. Due to the large thermal mass of the measuring element, much more energy would have to be introduced in this case. The introduction of energy through the through-hole of the circuit board implicitly requires that process step e) takes place after process step d). Furthermore, process step d) can take place before process step c).

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie auf die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ausführungsbeispiele verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the device according to the invention as well as to the figures, the description of the figures and the exemplary embodiments.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the schematic drawings.

Darin zeigen:

  • 1 eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 2 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung im Querschnitt,
  • 3 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung im Querschnitt,
  • 4 einen Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung im Querschnitt,
  • 5 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Verbindungselements
  • 6 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Verbindungselements
Showing:
  • 1 an oblique view of a device according to the invention,
  • 2 a section of a first embodiment of a device in cross section,
  • 3 a section of a second embodiment of a device in cross section,
  • 4 a section of a third embodiment of a device in cross section,
  • 5 a plan view of a first embodiment of a connecting element
  • 6 a plan view of a second embodiment of a connecting element

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in all figures.

1 zeigt eine Schrägansicht einer Vorrichtung 1 zur Messung der Stärke eines elektrischen Stroms. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Messelement 5, das im dargestellten Fall als Widerstandsanordnung (Shunt) ausgeführt ist. Die Widerstandsanordnung weist zwei streifen- oder plattenförmige Anschlusselemente 52, 52' auf, zwischen denen ein plattenförmiges Widerstandselement 51 angeordnet ist. Wie vorstehend beschrieben können die Anschlusselemente 52, 52' aus einem metallischen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit sein, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Das Widerstandselement 51 kann aus einem metallischen Material sein, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer als die elektrische Leitfähigkeit des Materials der Anschlusselement 52, 52' ist. Das Widerstandselement 51 kann beispielsweise aus einer Legierung sein, deren spezifischer elektrischer Widerstand eine geringe Temperaturabhängigkeit, also einen kleinen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist. Auf vorstehende Ausführungen, die die elektrischen Eigenschaften der Anschlusselement 52, 52' und des Widerstandselements 51 betreffen, wird explizit verwiesen. Das Widerstandselement 51 ist an seinen beiden Längsseiten mit jeweils einem Anschlusselement 52, 52' mechanisch und elektrisch leitend, bevorzugt stoffschlüssig, besonders bevorzugt durch eine Schweißnaht verbunden. Die Anschlusselemente 52, 52' weisen jeweils an ihrem vom Widerstandselement 51 entfernten Ende eine Bohrung 55, 55' auf, mittels derer das Messelement 5 an einen (nicht dargestellten) äußeren Stromkreis angeschlossen werden kann. Die Dicke des Widerstandselements 51 kann wie im dargestellten Fall kleiner als die Dicke der beiden Anschlusselemente 52, 52' sein. 1 shows an oblique view of a device 1 for measuring the strength of an electric current. The device 1 comprises a measuring element 5, which in the illustrated case is designed as a resistor arrangement (shunt). The resistor arrangement has two strip- or plate-shaped connection elements 52, 52', between which a plate-shaped resistor element 51 is arranged. As described above, the connection elements 52, 52' can be made of a metallic material with high electrical conductivity, for example, copper or aluminum. The resistor element 51 can be made of a metallic material whose electrical conductivity is lower than the electrical conductivity of the material of the connection elements 52, 52'. The resistor element 51 can, for example, be made of an alloy whose specific electrical resistance has a low temperature dependence, i.e., a small resistance temperature coefficient. Explicit reference is made to the above statements concerning the electrical properties of the connection elements 52, 52' and the resistor element 51. The resistance element 51 is mechanically and electrically connected, preferably by a material bond, particularly preferably by a weld seam, to a connecting element 52, 52' on each of its two longitudinal sides. The connecting elements 52, 52' each have a bore 55, 55' at their end remote from the resistance element 51, by means of which the measuring element 5 can be connected to an external circuit (not shown). The thickness of the resistance element 51 can be smaller than the thickness of the two connecting elements 52, 52', as in the illustrated case.

Im Bereich des Widerstandselements 51 ist über dem Messelement 5 eine Leiterplatte 2 positioniert. Die Oberfläche der Leiterplatte 2 ist planparallel zu der jeweils der Leiterplatte 2 zugewandten Oberfläche der Anschlusselemente 52, 52' beziehungsweise des Widerstandselements 51 ausgerichtet. Die Leiterplatte 2 erstreckt sich an ihren beiden Enden jeweils teilweise über die Anschlusselemente 52, 52' des Messelements 5, so dass Überdeckungsbereiche mit den Anschlusselementen 52, 52' gebildet sind. In diesen Überdeckungsbereichen mit den Anschlusselementen 52, 52' weist die Leiterplatte 2 einen Abstand Z zum Widerstandselement 5 auf. In den Überdeckungsbereichen weist die Leiterplatte 2 Durchgangsbohrungen 3, 3' auf. Die genaue Ausgestaltung der Durchgangsbohrungen 3, 3' wird nachstehend im Zusammenhang mit den 2, 3 und 4 erläutert.In the area of the resistance element 51, a printed circuit board 2 is positioned above the measuring element 5. The surface of the printed circuit board 2 is aligned plane-parallel to the surface of the connection elements 52, 52' or of the resistance element 51 facing the printed circuit board 2. The printed circuit board 2 extends at both its ends partially over the connection elements 52, 52' of the measuring element 5, so that overlapping areas with the connection elements 52, 52' are formed. In these overlapping areas with the connection elements 52, 52', the printed circuit board 2 has a distance Z from the resistance element 5. In the overlapping areas, the printed circuit board 2 has through-holes 3, 3'. The precise design of the through-holes 3, 3' is described below in connection with the 2 , 3 and 4 explained.

Auf der vom Messelement 5 abgewandten Oberfläche der Leiterplatte 2 befinden sich Leiterbahnen 21, 21' sowie ein elektronisches Bauteil 7. Das elektronische Bauteil 7 kann Mess- und Auswerteeinheiten sowie Schnittstellen umfassen. Die Leiterbahnen 21, 21' verbinden die Durchgangsbohrungen 3, 3' mit dem elektronischen Bauteil 7.On the surface of the circuit board 2 facing away from the measuring element 5 are conductor tracks 21, 21' and an electronic component 7. The electronic component 7 can include measuring and evaluation units as well as interfaces. The conductor tracks 21, 21' connect the through-holes 3, 3' to the electronic component 7.

Zwischen der Leiterplatte 2 und jeweils einem der Anschlusselemente 52, 52' des Messelements 5 befindet sich in der jeweiligen Projektion der Durchgangsbohrung 3, 3' auf das Anschlusselement 52, 52' jeweils ein Verbindungselement 41, 42, 43. Weil in der Schrägansicht die Verbindungselemente 41, 42, 43 durch die Leiterplatte 2 verdeckt sind, sind die Verbindungselemente 41, 42, 43 mit gestrichelten Linien lediglich angedeutet. Die genaue Ausgestaltung der Verbindungselemente 41, 42, 43 wird nachstehend im Zusammenhang mit den 2 bis 6 erläutert. Die Verbindungselemente 41, 42, 43 stellen eine elektrische und auch mechanische Verbindung zwischen dem Messelement 5 und der Leiterplatte 2 her, so dass die bei Stromfluss über dem Widerstandselement 51 abfallende Spannung abgegriffen und einer Mess- und Auswerteelektronik, die beispielsweise im elektronischen Bauteil 7 untergebracht sein kann, zugeführt werden kann.Between the circuit board 2 and each of the connection elements 52, 52' of the measuring element 5, there is a connecting element 41, 42, 43 in the respective projection of the through-hole 3, 3' onto the connection element 52, 52'. Because the connecting elements 41, 42, 43 are concealed by the circuit board 2 in the oblique view, the connecting elements 41, 42, 43 are merely indicated by dashed lines. The exact design of the connecting elements 41, 42, 43 is described below in connection with the 2 to 6 explained. The connecting elements 41, 42, 43 establish an electrical and mechanical connection between the measuring element 5 and the circuit board 2, so that the voltage drop across the resistance element 51 during current flow can be tapped and fed to a measuring and evaluation electronics, which can be housed, for example, in the electronic component 7.

2 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß 1. Der Ausschnitt umfasst den in der rechten Hälfte der 1 dargestellten Überdeckungsbereich von Leiterplatte 2 und Anschlusselement 52 des Messelements 5. Das Anschlusselement 52, das Widerstandselement 51 des Messelements 5 und die Leiterplatte 2 sind nur teilweise dargestellt. Die Leiterplatte 2 ist mit einem Abstand Z, bezogen auf das Anschlusselement 52, über dem Messelement 5 positioniert. Als Abstand Z zwischen Leiterplatte 2 und Messelement 5 ist der Abstand zwischen der Leiterplatte 2 und dem Teil des Messelements 5 definiert, zu dem die Verbindung zur Leiterplatte 2 durch das Verbindungselement 41 hergestellt ist. Die Leiterplatte 2 weist eine Durchgangsbohrung 3 auf. Die Durchgangsbohrung 3 erstreckt sich über die gesamte Dicke der Leiterplatte 2. Die innere Oberfläche der Durchgangsbohrung 3 ist mit einer Auskleidung 32 aus elektrisch leitendem Material, bevorzugt Kupfer, versehen. Bevorzugt bedeckt die Auskleidung 32 - ähnlich einem Innenzylinder - die gesamte innere Oberfläche der Durchgangsbohrung 3. Die Leiterplatte 2 weist auf ihrer vom Messelement 5 abgewandten Oberfläche eine Leiterbahn 21 auf. Die Leiterbahn 21 reicht bis an die Durchgangsbohrung 3 heran und steht mit der Auskleidung 32 der Durchgangsbohrung 3 in elektrischem Kontakt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Leiterplatte 2 ferner eine weitere Leiterbahn 22 auf, die im elektrisch isolierenden Material der Leiterplatte 2 eingebettet ist, so dass ein direkter elektrischer Kontakt zwischen Leiterbahn 22 und Messelement 5 vermieden wird. Auch die eingebettete Leiterbahn 22 reicht bis an die Durchgangsbohrung 3 heran und steht mit der Auskleidung 32 der Durchgangsbohrung 3 in elektrischem Kontakt. 2 shows a cross section of a section of a first embodiment of a device according to 1 . The section includes the area in the right half of the 1 illustrated overlap area of circuit board 2 and connection element 52 of measuring element 5. The connection element 52, the resistance element 51 of measuring element 5 and circuit board 2 are only partially shown. Circuit board 2 is positioned at a distance Z, relative to connection element 52, above measuring element 5. The distance Z between circuit board 2 and measuring element 5 is defined as the distance between circuit board 2 and the part of measuring element 5 to which the connection to circuit board 2 is established by connecting element 41. Circuit board 2 has a through-hole 3. Through-hole 3 extends over the entire thickness of circuit board 2. The inner surface of the through-hole 3 is provided with a lining 32 made of electrically conductive material, preferably copper. The lining 32 preferably covers the entire inner surface of the through-hole 3, similar to an inner cylinder. The circuit board 2 has a conductor track 21 on its surface facing away from the measuring element 5. The conductor track 21 extends as far as the through-hole 3 and is in electrical contact with the lining 32 of the through-hole 3. In the illustrated embodiment, the circuit board 2 further has a further conductor track 22, which is embedded in the electrically insulating material of the circuit board 2, so that direct electrical contact between the conductor track 22 and the measuring element 5 is avoided. The embedded conductor track 22 also extends as far as the through-hole 3 and is in electrical contact with the lining 32 of the through-hole 3.

Zwischen der Leiterplatte 2 und dem Anschlusselement 52 befindet sich im Bereich der Projektion der Durchgangsbohrung 3 auf das Anschlusselement 52 ein scheiben- oder plättchenförmiges Verbindungselement 41 aus elektrisch leitfähigem Material, bevorzugt aus Kupfer. Das Verbindungselement 41 kann beispielsweise aus einem metallischem Band- oder Blechwerkstoff gestanzt sein. Das Verbindungselement 41 hat eine Materialdicke D, gemessen senkrecht zur Oberfläche der Leiterplatte 2. Die Materialdicke D ist im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen gleich dem Abstand Z zwischen der Leiterplatte 2 und dem Messelement 5, also dem Abstand zwischen der Leiterplatte 2 und dem Anschlusselement 52. Das Verbindungselement 41 weist ferner eine laterale Erstreckung L auf, die parallel zur Oberfläche der Leiterplatte 2 gemessen wird. Die laterale Erstreckung L des Verbindungselements 41 ist größer als dessen Materialdicke D und beim dargestellten Ausführungsbeispiel etwas größer als der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 3. Das Verbindungselement 41 ist in einem ringförmigen Bereich 48 mit der Auskleidung 32 der Durchgangsbohrung 3 verlötet oder in anderer Weise stoffschlüssig verbunden. Das Verbindungselement 41 liegt ferner flächig auf dem Anschlusselement 52 auf und ist mit diesem in einer zentral angeordneten Schweißzone 49 verschweißt. Die Schweißzone 49 erstreckt sich über die gesamte Materialdicke D des Verbindungselements 41. Die Schweißzone 49 ist durch die Durchgangsbohrung 3 sichtbar, also für einen Strahl zugänglich. Der Schweißvorgang erfolgte beispielsweise durch Laserschweißen oder durch Elektronenstrahlschweißen. Die für den Schweißvorgang erforderliche Energie konnte durch die Durchgangsbohrung 3 hindurch eingebracht werden, indem der Laser- oder Elektronenstrahl durch die Durchgangsbohrung 3 hindurch in die Schweißzone 49 des Verbindungselements 41 geführt wurde. Durch das Verbindungselement 41 wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Messelement 5 und der Auskleidung 32 der Durchgangsbohrung 3 und somit letztendlich zwischen dem Messelement 5 und den Leiterbahnen 21, 22 hergestellt. Between the circuit board 2 and the connection element 52, in the area of the projection of the through-hole 3 onto the connection element 52, there is a disc- or plate-shaped connecting element 41 made of electrically conductive material, preferably copper. The connecting element 41 can, for example, be punched from a metallic strip or sheet material. The connecting element 41 has a material thickness D, measured perpendicular to the surface of the circuit board 2. In the illustrated embodiment, the material thickness D is essentially equal to the distance Z between the circuit board 2 and the measuring element 5, i.e. the distance between the circuit board 2 and the connection element 52. The connecting element 41 also has a lateral extent L, which is measured parallel to the surface of the circuit board 2. The lateral extent L of the connecting element 41 is greater than its material thickness D and, in the illustrated embodiment, slightly larger than the inner diameter of the through-hole 3. The connecting element 41 is soldered or otherwise materially connected to the lining 32 of the through-hole 3 in an annular region 48. The connecting element 41 also rests flat on the connection element 52 and is welded to it in a centrally arranged welding zone 49. The welding zone 49 extends over the entire material thickness D of the connecting element 41. The welding zone 49 is visible through the through-hole 3, i.e., accessible to a beam. The welding process was carried out, for example, by laser welding or electron beam welding. The energy required for the welding process could be introduced through the through-hole 3 by guiding the laser or electron beam through the through-hole 3 into the welding zone 49 of the connecting element 41. The connecting element 41 establishes an electrically conductive connection between the measuring element 5 and the lining 32 of the through-hole 3 and thus ultimately between the measuring element 5 and the conductor tracks 21, 22.

3 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß 1. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abstand Z zwischen der Leiterplatte 2 und dem Messelement 5, also der Abstand zwischen der Leiterplatte 2 und dem Anschlusselement 52, größer als bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Der Abstand Z ist größer als die Materialdicke D des Verbindungselements 42. Um den größeren Abstand Z zu überbrücken, hat das Verbindungselement 42 die Form eines Tellers. Wie bei einem Teller weist das Verbindungselement 42 einen zentralen Bereich und einen gegenüber dem zentralen Bereich erhabenen, ringförmigen Rand auf. Die Materialdicke D des Verbindungselements 42 ist im Randbereich und im zentralen Bereich näherungsweise identisch. Im Randbereich ist das Verbindungselement 42 in einem ringförmigen Bereich 48 mit der Auskleidung 32 der Durchgangsbohrung 3 verlötet oder in anderer Weise stoffschlüssig verbunden. Das Verbindungselement 42 liegt ferner mit seinem zentralen Bereich auf dem Anschlusselement 52 auf und ist mit diesem in einer zentral angeordneten Schweißzone 49 verschweißt. Das Verbindungselement 42 kann beispielsweise durch einen Stanz-Biege-Vorgang aus einem metallischen Flachmaterial hergestellt worden sein. Ein tellerförmiges Verbindungselement 42 ermöglicht die Verbindung zwischen Leiterplatte 2 und Messelement 5 in Fällen, in denen der Abstand Z maximal das Dreifache der Materialdicke D des Verbindungselements 42 ist. 3 shows a cross section of a section of a second embodiment of a device according to 1 . In the 3 In the embodiment shown, the distance Z between the circuit board 2 and the measuring element 5, i.e. the distance between the circuit board 2 and the connection element 52, is greater than in the 2 illustrated embodiment. The distance Z is greater than the material thickness D of the connecting element 42. In order to bridge the greater distance Z, the connecting element 42 has the shape of a plate. As with a plate, the connecting element 42 has a central region and an annular edge that is raised relative to the central region. The material thickness D of the connecting element 42 is approximately identical in the edge region and in the central region. In the edge region, the connecting element 42 is soldered or otherwise materially connected to the lining 32 of the through-bore 3 in an annular region 48. The connecting element 42 also rests with its central region on the connection element 52 and is welded to it in a centrally arranged welding zone 49. The connecting element 42 can, for example, have been produced from a metallic flat material by a punching and bending process. A plate-shaped connecting element 42 enables the connection between the circuit board 2 and the measuring element 5 in cases where the distance Z is a maximum of three times the material thickness D of the connecting element 42.

4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß 1. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abstand Z zwischen der Leiterplatte 2 und dem Messelement 5, also der Abstand zwischen der Leiterplatte 2 und dem Anschlusselement 52, noch größer als bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel. Der Abstand Z ist deutlich größer als die Materialdicke D des Verbindungselements 43. Um den größeren Abstand Z zu überbrücken, hat das Verbindungselement 43 die Form eines Huts oder eines Napfs. Das Verbindungselement 43 weist einen zentralen Bereich und einen gegenüber dem zentralen Bereich in der Höhe deutlich versetzten Randbereich auf. Der Randbereich hat die Form einer Ringscheibe, ähnlich einer Hutkrempe bei einem Hut. Die Materialdicke D des Verbindungselements 43 ist im Randbereich und im zentralen Bereich näherungsweise identisch. Im Randbereich ist das Verbindungselement 43 in einem ringförmigen Bereich 48 mit der Auskleidung 32 der Durchgangsbohrung 3 verlötet oder in anderer Weise stoffschlüssig verbunden. Das Verbindungselement 43 liegt ferner mit seinem zentralen Bereich auf dem Anschlusselement 52 auf und ist mit diesem in einer zentral angeordneten Schweißzone 49 verschweißt. Das Verbindungselement 43 kann durch Stanzen und Tiefziehen aus einem metallischen Flachmaterial, wie beispielsweise einem Blech oder einem Band, hergestellt worden sein. Ein hut- oder napfförmiges Verbindungselement 43 ermöglicht die Verbindung zwischen Leiterplatte 2 und Messelement 5 in Fällen, in denen der Abstand Z sogar mehr als das Doppelte oder das Dreifache der Materialdicke D des Verbindungselements 42 ist. 4 shows a cross section of a section of a third embodiment of a device according to 1 . In the 4 In the embodiment shown, the distance Z between the circuit board 2 and the measuring element 5, i.e. the distance between the circuit board 2 and the connection element 52, is even greater than in the 3 illustrated embodiment. The distance Z is significantly greater than the material thickness D of the connecting element 43. In order to bridge the larger distance Z, the connecting element 43 has the shape of a hat or a cup. The connecting element 43 has a central region and an edge region that is significantly offset in height from the central region. The edge region has the shape of an annular disk, similar to the brim of a hat. The material thickness D of the connecting element 43 is approximately identical in the edge region and in the central region. In the edge region, the connecting element element 43 is soldered or otherwise materially bonded to the lining 32 of the through-hole 3 in an annular region 48. Furthermore, the connecting element 43 rests with its central region on the connection element 52 and is welded to it in a centrally arranged welding zone 49. The connecting element 43 can be produced by stamping and deep-drawing from a flat metallic material, such as a sheet or strip. A hat- or cup-shaped connecting element 43 enables the connection between the printed circuit board 2 and the measuring element 5 in cases where the distance Z is even more than double or triple the material thickness D of the connecting element 42.

5 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Verbindungselements 41. Das Verbindungselement 41 ist ein Plättchen mit der Form einer Kreisscheibe. Der Durchmesser der Kreisscheibe ist die laterale Erstreckung L des Verbindungselements 41. Etwas innerhalb des äußeren Rands befindet sich ein ringförmiger Bereich 48, in dem das Verbindungselement 41 mit der Auskleidung 32 der Durchgangsbohrung 3 der Leiterplatte 2 stoffschlüssig verbunden werden kann, insbesondere verlötet oder verklebt oder durch Sintern verbunden werden kann. Der ringförmige Bereich 48 ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Im Mittelpunkt der Kreisscheibe befindet sich der Schweißbereich 49', der nach dem Verschweißen mit dem Messelement 5 die Schweißzone 49 darstellt. Der Schweißbereich 49' ist als schraffierter Kreis dargestellt. 5 shows a plan view of a first embodiment of a connecting element 41. The connecting element 41 is a small plate in the shape of a circular disk. The diameter of the circular disk is the lateral extent L of the connecting element 41. Slightly inside the outer edge is an annular region 48, in which the connecting element 41 can be materially connected to the lining 32 of the through-hole 3 of the printed circuit board 2, in particular soldered or glued or connected by sintering. The annular region 48 is indicated by dashed lines. At the center of the circular disk is the welding region 49', which represents the welding zone 49 after welding to the measuring element 5. The welding region 49' is shown as a hatched circle.

6 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Verbindungselements 41. Das Verbindungselement 41 ist - wie das in 5 dargestellte Verbindungselement 41 - ein Plättchen mit der Form einer Kreisscheibe. Die in 6 dargestellte Ausführungsform weist zwischen dem ringförmigen Bereich 48 und dem als Schweißbereich 49' vorgesehenen Zentrum der Kreisscheibe vier Aussparungen 45 jeweils in Form eines 90°-Kreissegments auf. Das zwischen den Aussparungen 45 vorhandene Material bildet die Streben einer gitterartigen Struktur 46 mit einem Kreuzungspunkt 47 im Mittelpunkt der Kreisscheibe. Der Schweißbereich 49' fällt mit diesem Kreuzungspunkt 47 zusammen. Die in 6 dargestellte Ausführungsform kann auch auf ein teller-, hut- oder napfförmiges Verbindungselement 42, 43 übertragen werden. 6 shows a plan view of a second embodiment of a connecting element 41. The connecting element 41 is - as in 5 The connecting element 41 shown is a plate in the shape of a circular disk. 6 The embodiment shown has four recesses 45, each in the form of a 90° circular segment, between the annular region 48 and the center of the circular disk, which is provided as the welding region 49'. The material present between the recesses 45 forms the struts of a grid-like structure 46 with an intersection point 47 in the center of the circular disk. The welding region 49' coincides with this intersection point 47. 6 The embodiment shown can also be transferred to a plate-, hat- or cup-shaped connecting element 42, 43.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungdevice
22
Leiterplattecircuit board
21, 21'21, 21'
Leiterbahnconductor track
2222
Leiterbahnconductor track
3, 3'3, 3'
DurchgangsbohrungThrough hole
3232
Auskleidunglining
4141
Verbindungselementconnecting element
4242
Verbindungselementconnecting element
4343
Verbindungselementconnecting element
4545
DurchbrücheBreakthroughs
4646
gitterartige Strukturlattice-like structure
4747
KreuzungspunktIntersection point
4848
ringförmiger Bereichannular area
4949
SchweißzoneWelding zone
49'49'
SchweißbereichWelding area
55
Messelementmeasuring element
5151
Widerstandselementresistance element
52, 52'52, 52'
Anschlusselementconnecting element
55, 55'55, 55'
Bohrungdrilling
77
elektronisches Bauteilelectronic component
DD
MaterialdickeMaterial thickness
LL
laterale Erstreckunglateral extension
ZZ
AbstandDistance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 10 163 553 B2 [0003]US 10 163 553 B2 [0003]
  • DE 10 2009 031 408 A1 [0004]DE 10 2009 031 408 A1 [0004]
  • DE 10 2022 109 709 A1 [0005]DE 10 2022 109 709 A1 [0005]

Claims (12)

Vorrichtung (1) zur Messung der Stärke eines elektrischen Stroms, umfassend: ein Messelement (5), das geeignet ist, bei Durchfluss von Strom durch das Messelement (5) eine messbare physikalische Größe zu erzeugen, die ein Maß für die Stärke des elektrischen Stroms ist, eine mit einem Abstand (Z) zum Messelement (5) positionierte Leiterplatte (2) aus elektrisch isolierendem Material mit Leiterbahnen (21, 21', 22), die zumindest auf einer der Oberflächen der Leiterplatte (2) aufgedruckt und/oder im elektrisch isolierenden Material der Leiterplatte (2) eingebettet sind, und mit mindestens einer Durchgangsbohrung (3), deren innere Oberfläche eine Auskleidung (32) aus elektrisch leitendem Material aufweist, die mit mindestens einer Leiterbahn (21, 21', 22) der Leiterplatte (2) in elektrischem Kontakt steht, ein scheiben-, plättchen-, teller-, hut- oder napfförmiges Verbindungselement (41, 42, 43), das aus elektrisch leitfähigem Flachmaterial mit einer Materialdicke (D) gebildet und/oder geformt ist und das zwischen dem Messelement (5) und der Leiterplatte (2) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (41, 42, 43) parallel zur Leiterplatte (2) eine laterale Erstreckung (L) aufweist, die größer als die Materialdicke (D) ist, und wobei das Verbindungselement (41, 42, 43) mit der Auskleidung (32) der Durchgangsbohrung (3) stoffschlüssig und elektrisch leitend verbunden und mit dem Messelement (5) in einer Schweißzone (49), die sich in der Projektion der Durchgangsbohrung (3) auf das Verbindungselement (41, 42, 43) befindet, verschweißt ist, so dass durch das Verbindungselement (41, 42, 43) und die Auskleidung (32) der Durchgangsbohrung (3) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Messelement (5) und mindestens einer Leiterbahn (21, 21', 22) der Leiterplatte (2) gebildet ist.A device (1) for measuring the strength of an electric current, comprising: a measuring element (5) capable of generating a measurable physical quantity, which is a measure of the strength of the electric current, when current flows through the measuring element (5); a circuit board (2) made of electrically insulating material, positioned at a distance (Z) from the measuring element (5), with conductor tracks (21, 21', 22) printed on at least one surface of the circuit board (2) and/or embedded in the electrically insulating material of the circuit board (2); and with at least one through-hole (3), the inner surface of which has a lining (32) made of electrically conductive material, which is in electrical contact with at least one conductor track (21, 21', 22) of the circuit board (2); a disk-, plate-, plate-, hat-, or cup-shaped connecting element (41, 42, 43) made of electrically conductive flat material with a material thickness (D) is formed and/or shaped and which is arranged between the measuring element (5) and the printed circuit board (2), wherein the connecting element (41, 42, 43) has a lateral extension (L) parallel to the printed circuit board (2) that is greater than the material thickness (D), and wherein the connecting element (41, 42, 43) is integrally and electrically conductively connected to the lining (32) of the through-hole (3) and is welded to the measuring element (5) in a welding zone (49) located in the projection of the through-hole (3) onto the connecting element (41, 42, 43), so that an electrically conductive connection between the measuring element (5) and at least one conductor track (21, 21', 22) of the printed circuit board (2) is formed by the connecting element (41, 42, 43) and the lining (32) of the through-hole (3). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schweißzone (49) über die gesamte Materialdicke (D) des Flachmaterials des Verbindungselements (41, 42, 43) erstreckt.Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the welding zone (49) extends over the entire material thickness (D) of the flat material of the connecting element (41, 42, 43). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Erstreckung (L) des Verbindungselements (41, 42, 43) größer als der Durchmesser der Durchgangsbohrung (3) der Leiterplatte (2) ist.Device (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the lateral extension (L) of the connecting element (41, 42, 43) is greater than the diameter of the through-hole (3) of the printed circuit board (2). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Erstreckung (L) des Verbindungselements (41, 42, 43) größer als der Abstand (Z) zwischen dem Messelement (5) und der Leiterplatte (2) ist.Device (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the lateral extension (L) of the connecting element (41, 42, 43) is greater than the distance (Z) between the measuring element (5) and the circuit board (2). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (41) scheiben- oder plättchenförmig ist und dass der Abstand (Z) zwischen der Leiterplatte (2) und dem Messelement (5) im Wesentlichen gleich der Materialdicke (D) des Flachmaterials ist.Device (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the connecting element (41) is disc-shaped or plate-shaped and that the distance (Z) between the circuit board (2) and the measuring element (5) is substantially equal to the material thickness (D) of the flat material. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (41) tellerförmig ist und dass der Abstand (Z) zwischen der Leiterplatte (2) und dem Messelement (5) größer als die Materialdicke (D) des Flachmaterials ist.Device (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the connecting element (41) is plate-shaped and that the distance (Z) between the circuit board (2) and the measuring element (5) is greater than the material thickness (D) of the flat material. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (43) hut- oder napfförmig ist und dass der Abstand (Z) zwischen der Leiterplatte (2) und dem Messelement (5) mindestens doppelt so groß wie die Materialdicke (D) des Flachmaterials ist.Device (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the connecting element (43) is hat-shaped or cup-shaped and that the distance (Z) between the circuit board (2) and the measuring element (5) is at least twice as large as the material thickness (D) of the flat material. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (41, 42, 43) Durchbrüche (45) aufweist, wodurch in der Projektion der Durchgangsbohrung (3) eine gitterartige Struktur (46) im Material des Verbindungselements (41, 42, 43) gebildet ist, und dass das Verbindungselement (41, 42, 43) an einem Kreuzungspunkt (47) der gitterartigen Struktur (46) mit dem Messelement (5) verschweißt ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the connecting element (41, 42, 43) has openings (45), whereby a grid-like structure (46) is formed in the material of the connecting element (41, 42, 43) in the projection of the through-bore (3), and in that the connecting element (41, 42, 43) is welded to the measuring element (5) at an intersection point (47) of the grid-like structure (46). Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (5) eine Widerstandsanordnung mit mindestens einem Widerstandselement (51) und mit Anschlusselementen (52, 52') ist, mittels derer das Messelement (5) an einen äußeren Stromkreis anschließbar ist.Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring element (5) is a resistance arrangement with at least one resistance element (51) and with connection elements (52, 52') by means of which the measuring element (5) can be connected to an external circuit. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (41, 42, 43) aus dem gleichen Material wie mindestens ein Anschlusselement (52, 52') der Widerstandsanordnung ist und dass das Verbindungselement (41, 42, 43) mit diesem Anschlusselement (52, 52') der Widerstandsanordnung verschweißt ist.Device (1) according to Claim 9 , characterized in that the connecting element (41, 42, 43) is made of the same material as at least one connection element (52, 52') of the resistor arrangement and that the connecting element (41, 42, 43) is welded to this connection element (52, 52') of the resistor arrangement. Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (41, 42, 43) aus dem gleichen Material wie das Widerstandselement (51) der Widerstandsanordnung (5) ist und dass das Verbindungselement (41, 42, 43) mit dem Widerstandselement (51) der Widerstandsanordnung (5) verschweißt ist.Device (1) according to Claim 9 , characterized in that the connecting element (41, 42, 43) is made of the same material as the resistance element (51) of the resistance arrangement (5) and that the connecting element (41, 42, 43) is welded to the resistance element (51) of the resistance arrangement (5). Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Leiterplatte (2) aus elektrisch isolierendem Material mit Leiterbahnen (21, 21', 22), die zumindest auf einer Oberfläche der Leiterplatte (2) aufgedruckt und/oder im elektrisch isolierenden Material der Leiterplatte (2) eingebettet sind, und mit mindestens einer Durchgangsbohrung (3), deren innere Oberfläche eine Auskleidung (32) aus elektrisch leitendem Material aufweist, die mit mindestens einer Leiterbahn (21, 21' 22) der Leiterplatte (2) in elektrischem Kontakt steht, b) Bereitstellen eines scheiben-, plättchen-, teller-, hut- oder napfförmigen Verbindungselements (41, 42, 43), das aus elektrisch leitfähigem Flachmaterial mit einer Materialdicke (D) gebildet und/oder geformt ist und eine laterale Erstreckung (L) aufweist, die größer als die Materialdicke (D) des Flachmaterials ist, c) Bereitstellen eines Messelements (5), das geeignet ist, bei Durchfluss von Strom durch das Messelement (5) eine messbare physikalische Größe zu erzeugen, die ein Maß für die Stärke des elektrischen Stroms ist, d) Stoffschlüssiges Verbinden des Verbindungselements (41, 42, 43) mit der Auskleidung (32) der Durchgangsbohrung (3) der Leiterplatte (2), so dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen mindestens einer Leiterbahn (21, 21', 22) und dem Verbindungselement (41, 42, 43) gebildet wird, e) Verschweißen des Verbindungselements (41, 42, 43) mit dem Messelement (5), wobei die für den Schweißvorgang notwendige Energie durch die Durchgangsbohrung (3) der Leiterplatte (21, 21', 22) hindurch eingebracht wird.Method for producing a device (1) according to one of the preceding claims, the method comprising the following steps: a) Providing a printed circuit board (2) made of electrically insulating material with conductor tracks (21, 21', 22) that are printed on at least one surface of the printed circuit board (2) and/or embedded in the electrically insulating material of the printed circuit board (2), and with at least one through-hole (3), the inner surface of which has a lining (32) made of electrically conductive material that is in electrical contact with at least one conductor track (21, 21', 22) of the printed circuit board (2), b) Providing a disk-, plate-, plate-, hat-, or cup-shaped connecting element (41, 42, 43) that is formed and/or shaped from electrically conductive flat material with a material thickness (D) and has a lateral extension (L) that is greater than the material thickness (D) of the flat material, c) Providing a measuring element (5) that is suitable for measuring a measurable physical quantity when current flows through the measuring element (5). generate which is a measure of the strength of the electric current, d) materially connecting the connecting element (41, 42, 43) to the lining (32) of the through-hole (3) of the printed circuit board (2), so that an electrically conductive connection is formed between at least one conductor track (21, 21', 22) and the connecting element (41, 42, 43), e) welding the connecting element (41, 42, 43) to the measuring element (5), wherein the energy required for the welding process is introduced through the through-hole (3) of the printed circuit board (21, 21', 22).
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