DE102014006033A1

DE102014006033A1 - Elektrischer Mikroschalter, umfassend zumindest einen elektrischen Kontakt und Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Mikroschalters

Info

Publication number: DE102014006033A1
Application number: DE102014006033.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Koepsell
Original assignee: Johnson Electric Germany GmbH and Co KG
Current assignee: Johnson Electric Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2014-02-15
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-08-20
Also published as: EP2908322A1; US10170252B2; US20150235780A1; JP2015179665A; JP2019192649A; CN104851616B; CN104851616A

Abstract

Bei einem elektrischen Mikroschalter, umfassend zumindest einen elektrischen Kontakt ist vorgesehen, dass der Kontakt ein Profilabschnitt mit einem Kontaktbereich ist, in dessen längliche Erstreckung ein gebogener Abschnitt eingebracht ist und dessen Mantelfläche in diesen gebogenen Abschnitt abschnittsweise abgerundet ausgebildet ist. Ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Mikroschalters, umfassend zumindest einen elektrischen Kontakt, insbesondere zum Herstellen eines vorgenannten Mikroschalters, zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Kontakt aus elektrisch leitendem Material ausgestanzt und sein Kontaktbereich geprägt wird, dass der Kontaktbereich jedes Kontaktes mit einem elektrisch leitenden Material in flüssiger Phase belegt wird und dass der Kontakt nach Aushärten des elektrisch leitenden Materials in ein Schaltergehäuse eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Mikroschalter, umfassend zumindest einen elektrischen Kontakt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Mikroschalters, umfassend zumindest einen elektrischen Kontakt, insbesondere zum Herstellen eines Mikroschalters der vorgenannten Gattung.
Elektrische Mikroschalter sind Teil der elektrischen Stromkreise, die sie an- und ausschalten. Die Kontakte und die Anschlüsse sind deshalb aus elektrisch gut leitenden Materialien. Mikroschalter sind Teil von komplexen Baugruppen. In Fahrzeugen werden sie typischerweise in Schließsystemen für Türen, Fronthauben, Heckklappen, Schiebedächern, etc. eingesetzt. Typischerweise schalten sie kleine Steuerströme, die von Mikroprozessoren ausgewertet werden. Wesentliches Leistungsmerkmal eines Mikroschalters ist die Zeit, in der der Schaltvorgang abgeschlossen ist. Diese Zeit wird als Prellzeit bezeichnet. Zur sicheren Auswertung in der Steuereinheit muss diese Prellzeit sehr klein und über die verschiedenen Betriebszustände und Umgebungseinflüsse (z. B. Temperaturschwankungen) konstant sein.
Die Prellzeit wird durch die bewegten Massen, die Geschwindigkeit des Sprungvorganges, die Geometrie der beteiligten Kontaktflächen und die elektrischen Oberflächeneigenschaften der Kontaktflächen beeinflusst. Für eine über Zeit und Umgebungseinflüsse konstante und niedrige Prellzeit sind folgende Kennwerte anzustreben:

– Geringe bewegte Masse. Der mechanische Impuls der die mechanische Schwingung auslöst, steigt mit zunehmender Masse.
– Hohe Sprunggeschwindigkeit (Betätigungsgeschwindigkeit bei Schiebekontakten). Die Sprunggeschwindigkeit (bei Flug des beweglichen Kontaktes) ist durch den Sprungmechanismus konstruktiv gegeben. Eine harte Sprungfeder erzeugt einen schnellen Sprung. Bei Schiebekontakten hängt die Sprunggeschwindigkeit von der Geschwindigkeit der Betätigung ab.
– Konstante Kontaktgeometrie über alle Betriebszustände und Zeit. Verformungen durch Schaltstöße und Abrieb sollen die Geometrie über Lebensdauer nicht ändern. Ideal ist eine theoretisch punktförmige Berührung der Kontaktflächen. Real ergibt sich unter der Kontaktlast ein ellipsenförmig abgeplatteter Kontaktbereich, über den der Stromfluss erfolgt. Dieser ideale Kontaktbereich soll auch bei Winkelabweichungen der Kontaktflächen zueinander über einen möglichst großen Bereich erhalten bleiben. Ideal ist wenn die beteiligten Kontakte jeweils eine hohe, aber unterschiedliche Härte aufweisen. Dadurch werden Geometrieabweichungen und ein Abrieb bei unvermeidlich auftretenden Relativbewegungen vermieden.
– Niedriger elektrischer Widerstand im Bereich der Berührung zwischen den Kontakten. Der angestrebte niedrige Widerstand ist der Grund für das Auftragen von Edelmetall oder anderen Kontaktschichten im Bereich der Kontaktberührung.
– Niedriger elektrischer Widerstand wird auch durch kleine, punktförmige Berührflächen begünstigt.

Alle Metalloberflächen sind mit einer durchgängigen Schicht aus Fremdatomen belegt. Idealerweise ist diese Schicht aus (nicht leitenden) Fremdatomen so dünn, dass ein widerstandsloser Tunnelstrom durch diese Schichten (Fremdbeläge) erfolgt. Gut hergestellte Schichten aus Hartgold haben diese Eigenschaft. Dickere Schichten der Fremdbeläge können durch hohe Pressung in den Berührungsflächen durchbrochen werden. Punktförmige Berührungsflächen erzeugen höchste Pressung und tolerieren große Winkelabweichungen ohne die punktförmige Berührung zu verlieren.
Nach der DE 10 2006 043 795 B3 sind die Kontakte als zylindrische Hohlformabschnitte auszubilden. Bei dem dort beschriebenen Mikroschalter ist das Auftreten von Schwingungen (Prellen) beim Heranführen an einen Gegenkontakt sehr gering (< 1 ms). Die Masse ist gegenüber üblichen Kontakten aus Vollmaterial reduziert, wodurch der Impuls für Schwingungen reduziert ist. Durch die in etwa rechtwinklig zueinander angeordneten zylindrischen Kontaktflächen wird der punktförmige Kontakt (bei Berührung entsteht eine ellipsenförmige Abplattung) erreicht. Diese optimale Kontaktierung bleibt auch bei Winkelfehlern erhalten. Dort wurde eine hohe Materialhärte der beteiligten Kontakte angestrebt, der Umformprozess zum Zylinder unterstützte die Erhöhung der Härte. Der dort beschriebene Kontakt hat eine Edelmetallschicht selektiv auf Bereichen des Hohlformabschnittes. Dadurch wurde bereits Edelmetall eingespart. Es wurde ein selektives Gealvanik Verfahren, vorzugsweise ein Brush-Verfahren, eingesetzt. Als äußerste Reduktion des Edelmetalls war dort ein nur einseitiger Auftrag vorgeschlagen, wobei die Edelmetallschicht dann im Betrieb durch Materialübertrag vom Gegenkontakt erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Mikroschalter der eingangs genannten Gattung aufzuzeigen, bei dem das Auftreten von Schwingungen beim Schaltsprung wie im Stand der Technik reduziert ist, gegenüber dem Stand der Technik aber eine einfache Bauform mit geringem Edelmetalleinsatz und mit geringen Herstellkosten aufgezeigt ist. Darüber hinaus soll ein Verfahren aufgezeigt werden, mit dem auf rationelle Weise Mikroschalter hergestellt werden können, insbesondere der vorbezeichnete Mikroschalter hergestellt werden kann.
Vorrichtungsseitig ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kontakt des elektrischen Mikroschalters ein Profilabschnitt mit einem Kontaktbereich ist, in dessen längliche Erstreckung ein gebogener Abschnitt eingebracht ist und dessen Mantelfläche in diesem gebogenen Abschnitt zumindest abschnittsweise abgerundet ausgebildet ist.
Aufgrund des in die längliche Erstreckung des Kontaktbereiches eingebrachten gebogenen Abschnitts entsteht eine erste Wölbung des Kontaktbereiches. Eine zweite Wölbung wird durch die Abrundung der Mantelfläche des Kontaktbereiches in dem gebogenen Abschnitt ausgebildet. Der Kontaktbereich ist auf diese Weise in zwei Ebenen gewölbt ausgebildet, Biegung und Abrundung für diese Wölbungen können dabei durch Prägeprozesse erfolgen. Die Ebenen der beiden Wölbungen stehen in etwa senkrecht aufeinander.
Die besondere Ausbildung des Kontaktes ermöglicht seine punktförmige Anlage an einem Gegenkontakt. Durch die punktförmige Anlage kann eine hohe Pressung an einen Gegenkontakt erzeugt werden, um die Schicht von Fremdatomen zu durchdringen.
Der Kontakt ist vorzugsweise aus einem Vollmaterial hergestellt, weiter vorzugsweise ist er als Stanzbauteil ausgebildet. Das Stanzbauteil kann schmal ausgebildet sein, vor dem Ausstanzen wurde es durch Walzen des entsprechenden Standstreifens gehärtet. Der vorzunehmende Prägeprozess zum Eintragen der Wölbungen in zwei Ebenen erhöht die Härte im Kontaktbereich weiter.
Ein Gegenkontakt kann nach einer Weiterbildung der Erfindung mit planem Kontaktbereich ausgebildet sein. Dieser plane Kontaktbereich ist an den gebogenen Abschnitt des Kontaktes anlegbar, die Anlage erfolgt dabei punktförmig und dies auch bei beispielsweise durch Toleranzen ausgebildeten Winkelabweichungen.
Auf den Kontaktbereich kann eine Schicht eines elektrisch leitenden Materials aufgebracht sein, wobei dieses elektrisch leitende Material ein Edelmetall oder eine Kohlenstoffstruktur sein kann. Der Gegenkontakt kann Teil einer Blattfeder sein, welcher zwischen Kontakten eingespannt ist.
Der Gegenkontakt kann zu den bewegten Bauteilen des Mikroschalters gehören, während der Kontakt mit dem gebogenen Abschnitt feststehend ist. Dadurch hat der erfindungsgemäße Mikroschalter Kontakte mit minimierten bewegten Massen. Die plane Ausführung des Kontaktbereiches des Gegenkontaktes ist eine massearme Form. Mechanische Impulse, die mechanische Schwingungen auslösen, sind dadurch minimiert.
Der Gegenkontakt mit planem Kontaktbereich kann insgesamt plan ausgebildet sein. Diese Ausbildung ist im Vergleich zu gewölbten oder anderen komplizierten Formen steifer. Dadurch wird eine hohe Sprunggeschwindigkeit erreicht, wodurch die Schaltzeit vermindert ist. In Verbindung mit der minimiert bewegten Masse verkürzt sich die Prellzeit gegenüber bekannten Konstruktionen. Durch diese Konstruktion von Kontakt und Gegenkontakt werden kleine, punktförmige Berührflächen erzeugt. Der ideale punktförmige Kontakt ist gegeben und bleibt auch bei Winkelabweichungen erhalten.
Verfahrensseitig ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Kontakt aus elektrisch leitendem Material ausgestanzt und sein Kontaktbereich geprägt wird, dass der Kontaktbereich jedes Kontaktes mit einem elektrisch leitendem Material in flüssiger Phase belegt wird und dass der Kontakt belegt mit einer harten Schicht aus diesem elektrisch leitenden Material in ein Schaltergehäuse eingebracht wird.
Bei dem Herstellungsverfahren werden zunächst die Kontakte erzeugt. Der Kontakt mit dem gebogenen Abschnitt wird aus elektrisch leitendem Material zunächst ausgestanzt und anschließend sein Kontaktbereich geprägt. Während der Prägung wird der gebogene Abschnitt eingebracht und zudem die Mantelfläche des Kontaktbereiches abgerundet.
Anschließend wird der Kontaktbereich weiter dadurch hergestellt, dass dieser Bereich mit einem elektrisch leitenden Material in flüssiger Phase belegt wird. Dieses elektrisch leitende Material lagert sich als harte Schicht auf dem Kontakt ab, schließlich werden die Kontakte in ein Schaltergehäuse eingebracht. Dabei sind in dem Schaltergehäuse Kontakt und Gegenkontakt angeordnet, auf den beweglichen Gegenkontakt wirkt ein Stößel.
Das Belegen des Kontaktbereiches jedes Kontaktes wird vorzugsweise in einem Tauchprozess durchgeführt. Der Tauchprozess kann beispielsweise ein galvanisches Bad umfassen, in dem Kontaktbereiche mit Edelmetallatomen belegt werden. Es können aber auch nicht galvanische Bäder eingesetzt werden, beispielsweise dann, wenn das elektrisch leitende Material auf Kohlenstoffbasis besteht. Der Auftrag des elektrisch leitenden Materials im Kontaktbereich reduziert den elektrischen Widerstand im Bereich der Berührung der Kontakte.
Zur Vermeidung von Edelmetall können alternativ diese Oberflächen aus Kohlenstoff verwendet werden. Hierfür sind harte Modifikationen des Kohlenstoffs wie beispielsweise Graphen oder Fullerene zu bevorzugen. Graphen ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur. Fullorene ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit hoher dreidimensionaler Struktur und Symmetrie.
Der Auftrag des Kohlenstoffs erfolgt erfindungsgemäß aus der flüssigen Phase mit darin gelöstem Kohlenstoff. Der Auftrag kann mit einem Bad erfolgen, alternativ mittels Sprühen oder Druckverfahren. Die Schichten mit Kohlenstoff entstehen nach Auftrag in flüssiger Phase nach Verdampfen des Lösungsmittels.
Das Auftragen von z. B. Graphen kann auch mittels eines Tintenstrahldruckers erfolgen, das führt zu harten elektrisch leitenden Schichten. Als Lösungsmittel für Graphen können auch flüssige Übergangsmetalle verwendet werden, beim Abkühlen ordnet sich Graphen selbst organisierend an der Oberfläche an.
Durch den Herstellungsprozess weisen die beteiligten Kontakte, nämlich Kontakt mit gebogenem Abschnitt und planer Gegenkontakt, jeweils eine hohe, aber unterschiedliche Härte auf. Dadurch werden Geometrieveränderungen durch mechanische Impulse, beispielsweise Umformen oder Stauchen, und ein Abrieb bei unvermeidlich auftretenden Relativbewegungen vermieden. Eine konstante Kontaktgeometrie über alle Betriebszustände und die Zeit ist gegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1: eine perspektivische, teilweise geöffnete Ansicht eines erfindungsgemäßen Mikroschalters,
2 und 3: perspektivische Ansichten der elektrisch leitenden Bauteile des Mikroschalters gemäß 1,
4 und 5: perspektivische Ansichten von Stanz-Ausgangsbauteilen für einen Kontakt des Mikroschalters gemäß 1 und
6 und 7: perspektivische Ansichten von Stanz-Ausgangsbauteilen für einen Gegenkontakt des Mikroschalters gemäß 1.
Der Mikroschalter in 1 weist einen etwa quaderförmigen Aufbau auf, er hat ein wannenartiges Unterteil 1 sowie ein auf das Unterteil 1 aufbringbares Deckelteil 2. Im Inneren des Mikroschalters 1 sind Kontakte angeordnet, nämlich Kontakte 3, 3' sowie ein Gegenkontakt 4.
2 und 3 zeigen, dass die Kontakte 3, 3' Kontaktbereiche 5, 5' aufweisen, die in ihrer Längserstreckung einen gebogenen Abschnitt haben. Darüber hinaus sind die Mantelflächen der gebogenen Kontaktbereiche 5, 5' auf einander zugekehrten Seiten abgerundet ausgebildet.
Der Gegenkontakt 4 hat einen planen Kontaktbereich 6, dieser liegt in 2 am oberen Kontakt 5 und in 3 am unteren Kontakt 5' elektrisch leitend an.
Der Gegenkontakt 4 ist mit einer Schnappfeder 7 ausgerüstet und in einer entsprechenden Federaufnahme 8 eingerastet.
4 und 5 zeigen die Ausbildung von Kontakten 3, 3' als Stanzbauteile. Die Kontakte 3, 3' werden durch Stanzung hergestellt, die Kontaktbereiche 5, 5' werden durch Prägeprozesse ausgebildet. Durch diese Prägeprozesse wird die zweifache Wölbung in jeden Kontaktbereich 5, 5' eingebracht.
Die Kontaktbereiche 5, 5' sind mit einem elektrisch leitenden Material 9 belegt. Dieses Material 9 kann ein Edelmetall sein oder eine Kohlenstoffbasis haben. Das Aufbringen dieses Materials 9 kann durch Tauchen, Sprühen, Drucken oder ähnlich erfolgen.
6 und 7 zeigen, dass auch der Gegenkontakt 4 ein Stanzbauteil ist, dessen Kontaktbereich 6 mit dem elektrisch leitenden Material 9 belegt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006043795 B3 [0005]

Claims

Elektrischer Mikroschalter, umfassend zumindest einen elektrischen Kontakt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (3, 3') ein Profilabschnitt mit einem Kontaktbereich (5, 5') ist, in dessen längliche Erstreckung ein gebogener Abschnitt eingebracht ist und dessen Mantelfläche in diesen gebogenen Abschnitt zumindest abschnittsweise abgerundet ausgebildet ist.
Mikroschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (3, 3') ein aus einem Vollmaterial gefertigter Profilabschnitt ist.
Mikroschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt (3, 3') ein Stanzbauteil ist.
Mikroschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Gegenkontakt (4) mit planem Kontaktbereich (6) vorgesehen ist.
Mikroschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Kontaktbereich (5, 5', 6) eine Schicht eines elektrisch leitenden Materials (9) aufgebracht ist.
Mikroschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (9) ein Edelmetall ist.
Mikroschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (9) Kohlenstoff ist.
Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Mikroschalters, umfassend zumindest einen elektrischen Kontakt, insbesondere zum Herstellen eines Mikroschalters nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kontakt (3, 3', 4) aus elektrisch leitendem Material ausgestanzt und sein Kontaktbereich (5, 5', 6) geprägt wird, dass der Kontaktbereich (5, 5', 6) jedes Kontaktes (3, 3', 4) mit einem elektrisch leitenden Material (9) in flüssiger Phase belegt wird und dass der Kontakt (3, 3', 4) nach Aushärten des elektrisch leitenden Materials (9) in ein Schaltergehäuse eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Belegen des Kontaktbereiches (5, 5', 6) jedes Kontaktes (3, 3', 4) mit dem elektrisch leitenden Material (9) in einem Tauchprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Belegen des Kontaktbereiches (5, 5', 6) jedes Kontaktes (3, 3', 4) mit dem elektrisch leitenden Material (9) in einem Sprühprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den Sprühprozess zumindest ein Tintenstrahldrucker eingesetzt wird.