DE69704025T2 - Verfahren zur herstellung eines elektromechanischen relais - Google Patents

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktarms mit Kontaktelementen an beiden Seiten desselben, welcher beispielsweise als beweglicher Kontaktarm verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Bei Relais und anderen elektromechanischen Schaltvorrichtungen zum Schalten höherer Ströme werden gewöhnlich nietenartige Kontakte bei der Herstellung der elektrischen Kontaktarme verwendet. Bei einer Kontaktkonfiguration mit einem zentralen Kontaktarm, der Kontakte an beiden Seiten benötigt (z. B. SPDT, Unterbrechen - Einschalten ("Brake-Make"), C-Formung ("Form C")), muss beispielsweise ein Nietenkontakt für diesen Arm vorgeformt werden, dann durch ein Loch im Arm gesteckt werden, und wiederum verformt werden, um eine passende Kontakt fläche an beiden Seiten des Kontaktarms zu erzielen. Dieses bekannte Verfahren zur Herstellung eines Kontaktarms erfordert eine teure Herstellung der Kontaktnieten. Ferner erfüllt die resultierende Kontaktarmstruktur einige strenge Anwendungs-Lebensdauererfordernisse für bestimmte Schaltanwendungen nicht.
• Die britische Patentschrift Nr. GB-A-1,158,119 beschreibt eine Federblattanordnung und ein Verfahren zur Herstellung derselben, mit einer Mehrzahl von überlagerten Federblättern, die mittels verbundener Kontaktelemente zusammengeklemmt werden, welche an beiden Seiten der Mehrzahl von Federblättern angeordnet sind. Insbesondere sind in den Federblättern ausgerichtete Öffnungen gebildet, wobei ein Kopfkontakt die Öffnungen an einer Seite der Mehrzahl von Federblättern überdeckt, und ein Trägerelement die Öffnungen an der anderen Seite überdeckt. Der Kopfkontakt und das Trägerelement sind mittels Weichlöten oder Schweißen miteinander verbunden. Wegen der Mehrzahl von überlagerten Federblättern müssen die Kontaktelemente mit guter Leitfähigkeit innerhalb der ausgerichteten Öffnungen verbunden sein. Dies setzt voraus, dass jedes Kontaktelement ein sich vom Kopfkontakt und/oder dem Trägerelement in die jeweilige Öffnung erstreckendes Verbindungselement zum Verbinden mit dem anderen Kontaktelement aufweist. Folglich weisen die Kontaktelemente Nietengestalt auf und erfordern, ähnlich den oben beschriebenen Nietenkontakten, eine teure Herstellung.
• Ferner ist es bekannt, Kontaktelemente von einem Kontaktband abzuschneiden und die Kontaktelemente metallurgisch, z. B. durch Widerstandslöten, in gewünschter Weise mit den Oberflächen elektrischer Kontaktarme zu verbinden. Durch die Oberflächen der Kontaktarme müssen keine Löcher vorgesehen werden. Typischerweise hat ein solches Kontaktelement eine Lötlegierungs-Trägerschicht an einer Seite, welche zum Anlöten des Kontaktelements an eine ebene Oberfläche eines Kontaktarms oder einer Blattfeder verwendet wird. Kontaktarme, die mit angelöteten Kontaktbandelementen hergestellt sind, erfüllen üblicherweise strenge Anwendungs-Lebensdauererfordernisse.
• Allerdings fließt während des Verbindungs-/Lötprozesses überschüssiges geschmolzenes Lötmaterial an den Seiten eines Kontaktelements hoch und kann in einigen Fällen auf die Oberfläche des Kontaktelements fließen. Dies ist teilweise auf beim Lötprozess verwendete Elektroden zurückzuführen, welche eine Kraft auf die Kontaktelemente ausüben, um sie in Position zu halten und ausreichenden elektrischen Kontakt mit den Kontaktarmen sicherzustellen. Dieser Zustand kann zum Verschweißen von Kontakten während des Betriebs des Kontaktarms ebenso wie zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Widerstands- Lötprozesselektrode führen. Nachteiligerweise kann die Menge oder die Dicke der Lötlegierungsschicht wegen Beschränkungen beim Herstellungsprozess des Kontaktbands nicht ausreichend verringert werden, d. h. eine solche Lötlegierungsschicht kann nur mit einer bestimmten Minimaldicke auf dem Band erzielt werden.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
• Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen Schalter mit einem elektrischen Kontaktarm bereitzustellen, der preisgünstige Kontaktelemente mit einfacher Gestalt und ebener Grundfläche verwendet, wobei die Kontaktelemente auf beide Seiten eines Metallblatts gelötet werden können, ohne dass überschüssiges Lötmaterial die Kontaktflächen beeinträchtigt.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen elektromechanischen Schalter mit einem elektrischen Kontaktarm bereitzustellen, bei dem ein Paar von Kontaktelementen von einem Kontaktband mit einem Lötlegierungsträger abgeschnitten werden.
• Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromechanischen Schalter mit einem elektrischen Kontaktarm bereitzustellen, bei dem ein Paar von Kontaktelementen an jeweilige Seiten eines Metallblatts gelötet ist und die Kontakte gegen das Metallblatt gedrückt sind, um eine vorbestimmte Gesamtdicke zwischen den Kontaktoberflächen ohne die Notwendigkeit des Entfernens überschüssigen Lötmaterials zu erzielen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die oben genannten Probleme werden durch die vorliegende Erfindung beseitigt, welche ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktarms vorschlägt, das folgende Schritte umfasst:
• Bereitstellen eines Metallblatts mit einem darin gebildeten Durchgangsloch;
• Bereitstellen eines Paars von Kontaktelementen, von denen jedes eine ebene Bodenflache aufweist, die größer als das Durchgangsloch im Metallblatt ist, wobei jede der Bodenflachen mit einer Schicht aus Verbindungsmaterial beschichtet ist;
• Positionieren eines der Kontaktelemente an jeder Seite des Metallblatts, um das Durchgangsloch von jeder Seite her zu bedecken;
• Verbinden der Kontaktelemente mit dem Blatt durch Aufbringen von Wärme zum Schmelzen der Schichten aus Verbindungsmaterial. während die Kontaktelemente von jeder Seite gegen das Metallblatt gedrückt werden, wobei das Durchgangsloch als ein Reservoir dient, in welches geschmolzenes Verbindungsmaterial fließt; und
• Härten des Verbindungsmaterials.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Zum besseren Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen auf die nachfolgende Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform derselben und auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, die Kontaktelemente zeigt, welche von einem Band abgeschnitten und über beiden Seiten eines Metallblatts zentriert werden, wobei die Darstellung verschiedene Maßstäbe verwendet;
• Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktarms mit den Kontaktelementen zu Beginn des Lötprozesses ist;
• Fig. 3 eine Schnittansicht des Kontaktarms aus Fig. 2 mit den Kontaktelementen nach dem Löten ist;
• Fig. 4 eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Relais ist; und
• Fig. 5 der bewegliche Kontaktarm des Relais aus Fig. 4 ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Nun wird Bezug auf Fig. 1 genommen, in der ein Kontaktband 1 gezeigt ist, welches sich normalerweise auf einer Spule 2 befindet. Das Kontaktband 1 weist eine bestimmte Dicke und Breite auf. Zur Herstellung eines elektrischen Kontaktarms wird das Band 1 in einzelne Kontaktelemente 3 geschnitten. Ein Schneidemechanismus 4 ist nur schematisch gezeigt, und es kann sich um jeden Typ eines bekannten oder herkömmlichen Schneidemechanismus handeln. Das Kontaktband 1 enthält Kontaktmaterial und ist an einer Seite mit einem Lötlegierungsträger beschichtet. Wie in der Zeichnung gezeigt, umfassen das Kontaktband 1 und die Kontaktelemente 3 beispielsweise drei verbundene Schichten: eine Edelmetall-Berührungsfläche 31, eine Silber-Zwischenschicht 32, und einen Lötlegierungsträger 33, wobei die Schichten im vergrößerten Querschnitt gezeigt sind.
• Zur Herstellung eines elektrischen Kontaktarms mit Kontakten an beiden Seiten, welcher beispielsweise als ein beweglicher Kontaktarm für ein Relais verwendet werden kann, wird ein Metallblatt 5 an der gewünschten Kontaktposition mit einem Durchgangsloch 6 versehen. Das Metallblatt 5 kann aus jedem für die gewünschte Anwendung geeigneten Material gefertigt sein, beispielsweise aus Kupferlegierung. Dann wird ein Paar von abgeschnittenen Kontaktelementen 3A, 3B über beiden Seiten des Durchgangslochs 6 zentriert, wobei der Lötträger 33 in Anlage an das Blatt 5 gebracht wird. Die Querschnittsfläche jedes Kontaktelements 3A, 3B ist größer als die des Durchgangslochs 6, so dass das Durchgangsloch 6 an beiden Seiten des Metallblatts 5 vollständig bedeckt ist und die Kontaktelemente 3A, 3B die jeweiligen umgebenden Oberflächen des Metallblatts 5 kontaktieren.
• Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird ein Paar von Elektroden 7, 8 an die Berührungsflächen 31 der Kontaktelemente 3A, 3B gebracht. Die Elektroden 7, 8 üben eine Kraft auf die Kontaktelemente 3A, 3B aus, um die Elemente in Position zu halten und ausreichenden elektrischen Kontakt mit dem Blatt 5 sicherzustellen. Dann schickt man einen Strom durch die erste Elektrode 7, durch die Anordnung aus Blatt und Kontakten 3A, 5 und 3B zur anderen Elektrode 8 während einer ausreichenden Zeitdauer, um den Lotlegierungsträger 33 an beiden Kontaktelementen 3A, 3B zu schmelzen. Die eingesetzte Stromstärke hängt von den Zusammensetzungen und anderen physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Elemente ab.
• Nach dem Abschalten des Stroms bleiben die Elektroden 7, 8 für einen ausreichend langen Zeitraum an ihrem Platz, damit die Lötlegierung härten kann. Dieses Verfahren führt dazu, dass jedes der Kontaktelemente 3A, 3B direkt mit dem Blatt 5 durch Lötung verbunden ist, und dass jegliches überschüssiges Lötmaterial 34 in das Durchgangsloch 6 fließt, welches als ein "Lötreservoir" dient. Sobald die Lötung gehärtet ist, werden die Elektroden 7, 8, wie in Fig. 3 gezeigt, entfernt.
• Gewünschtenfalls kann das Verfahren auch dazu führen, dass die Kontaktelemente 3A, 3B miteinander verbunden werden. Dies kann erreicht werden, indem man das überschüssige Lötmaterial 34 das Durchgangsloch 6 vollständig füllen lässt (wie in Fig. 3 gezeigt), oder indem man das überschüssige Lötmaterial 34 von jedem Kontaktelement sich ausreichend miteinander im Durchgangsloch 6 verbinden lässt.
• Als Beispiel wurde ein beweglicher Kontaktarm für ein Relais unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den folgenden Abmessungen hergestellt:
• Kontaktelemente 3A, 3B: Länge und Breite 3,5 mm;
• Dicke der Edelmetall-Berührungsfläche 31 : 0,46 mm (Minimum);
• Dicke der Silber-Zwischenschicht 32 : 0,12 mm (Maximum);
• Dicke des Lötlegierungsträgers 33 : 0,02 mm bis 0,04 mm;
• Dicke des Kontaktarmblatts 5 : 0,127 mm;
• Durchmesser des Durchgangslochs 6 : 2,39 mm.
• Der Lötlegierungsträger 33 bestand aus einer üblichen Lötlegierungszusammensetzung, beispielsweise 15% Ag, 80% Cu und 5% P.
• Fig. 4 zeigt ein Relais 40 gemäß der Erfindung. Das Relais 40 umfasst eine Basis 41, eine mit der Basis 41 verbundene Spulenanordnung 42, einen Anker 43, stationäre Kontaktelemente 44, 45, und einen beweglichen Kontaktarm 46, der zum Kontaktieren der stationären Kontakte 44, 45 durch den Anker 43 betätigt wird. Der bewegliche Kontaktarm 46 ist detaillierter in Fig. 5 gezeigt. Der bewegliche Kontaktarm 46 umfasst ein Metallblatt 46a mit einem darin gebildeten Durchgangsloch 46b und ein Paar von Kontaktelementen 46c, 46d, die mit dem Metallblatt 46a verbunden sind. Das Durchgangsloch 46b dient als ein Reservoir zur Aufnahme jeglichen überschüssigen Verbindungsmaterials, das verwendet wird, um die Kontaktelemente 46c, 46d mit dem Blatt 46a zu verbinden. Das Relais 40 und der bewegliche Kontaktarm 46 können durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.
• Die hier beschriebenen Ausführungsformen dienen nur zur Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Verschiedene Veränderungen können hieran durch Fachleute vorgenommen werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Umfang der Erfindung zu verlassen.
• Beispielsweise kann das Kontaktband 1 in Gestalt einzelner Streifen anstelle einer Spule 2 vorliegen. Ferner können die Kontaktelemente 3A, 3B in anderen Formen aus dem Band 1 ausgeschnitten werden, beispielsweise in rechteckigen oder kreisförmigen Formen. Ferner kann der Lotlegierungsträger 33 aus jedem bekannten oder herkömmlichen Lötmaterial bestehen.
• Ferner kann der Lotlegierungsträger 33 durch einen anderen Mechanismus als mittels der Verwendung der Elektroden 7, 8 und des Anlegens eines Stroms zwischen ihnen geschmolzen werden, beispielsweise mittels der Verwendung einer Heizkammer. Ferner können die Elektroden 7, 8 durch einen anderen Mechanismus zum Drücken und Halten der Kontaktelemente 3A, 3B gegen das Metallblatt 5 ersetzt oder ergänzt werden.
• Weiterhin können die Kontaktelemente mit dem Blatt auch mittels eines anderen bekannten oder herkömmlichen metallurgischen Verbindungsprozesses als mittels Löten verbunden werden, beispielsweise durch Weichlöten oder Schweißen unter Verwendung eines geeigneten Weichlot- oder Verbindungsmaterials.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktarms, das die Schritte umfasst:

Bereitstellen eines Metallblatts (3; 46a) mit einem Durchgangsloch (6; 46b) darin;

Bereitstellen eines Paars von Kontaktelementen (3; 46c; 46d), von denen jedes eine ebene Bodenflache aufweist, die größer als das Durchgangsloch (6; 46b) im Metallblatt (3; 46a) ist, wobei jede der Bodenflachen mit einer Schicht aus Verbindungsmaterial (33) beschichtet ist;

Positionieren eines der Kontaktelemente (3; 46c, 46d) an jeder Seite des Metallblatts (3, 46a), um das Durchgangsloch (6; 46b) von jeder Seite her zu bedecken; Verbinden der Kontaktelemente (3; 46c, 46d) mit dem Metallblatt (3; 46a) durch Aufbringen von Wärme zum Schmelzen der Schichten aus Verbindungsmaterial (33), während die Kontaktelemente (3; 46c, 46d) von jeder Seite gegen das Metallblatt (3; 46a) gedrückt werden, wobei das Durchgangsloch (6; 46b) als ein Reservoir dient, in welches geschmolzenes Verbindungsmaterial (34) fließt; und

Härten des Verbindungsmaterials.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verbindungsmaterial Lötmaterial (33) umfasst, und bei dem der Schritt des Verbindens der Kontaktelemente (3; 46c, 46d) ein Löten der Kontaktelemente (3; 46c, 46d) umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt des Abschneidens der Kontaktelemente (3; 46c, 46d) von einem Band (1), das aus Kontaktmaterial (31) besteht, welches an einer Seite mit dem Lötmaterial (33) beschichtet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Lötschritt ein Widerstandsheizen umfasst, indem man ein Paar von Elektroden (7, 8) an die Kontaktelemente (3; 46c, 46d) anlegt und Strom zwischen ihnen fließen lässt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Elektroden (7, 8) derart angeordnet sind, dass sie die Kontaktelemente (3; 46c, 46d) gegen das Metallblatt (3; 46a) drücken und halten bis das Lötmaterial (33) gehärtet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Härtens ein Kühlen der Kontaktelemente (3; 46c, 46d) umfasst.

7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Lötschritt ein Schmelzen der Schichten aus Lötmaterial (33) umfasst, bis ausreichend überschüssiges geschmolzenes Lötmaterial (34) im Durchgangsloch (6; 46b) vorhanden ist, um die Kontaktelemente (3; 46c, 46d) aneinander zu löten.