DE102004052712B4

DE102004052712B4 - Einteilige, zweischenklige Kontaktfeder für Miniatur-Steckverbindungen

Info

Publication number: DE102004052712B4
Application number: DE102004052712.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Lappöhn
Original assignee: ERNI Electronics GmbH and Co KG
Current assignee: Erni Electronics 73099 Adelberg De GmbH
Priority date: 2004-10-30
Filing date: 2004-10-30
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2024-10-31
Also published as: US7214109B2; JP2006128130A; JP4638803B2; DE102004052712A1; US20060121798A1

Abstract

Einteilige, zweischenklige Kontaktfeder (1) für Miniatur-Steckverbindungen für Hochfrequenzsignale, mit einem Kontaktierungsbereich (A) zum Kontaktieren eines Kontaktstifts (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (1) einen Federboden (8), aus dem beidseitig Federschenkel (3) abgekantet sind, aufweist, wobei die Federschenkel (3) samt dem Federboden (8) den Kontaktstift (5) über seine Einstecklänge von drei Seiten her umgreifen, wobei ein Paar einander gegenüberliegend angeordneter Führungsstege (10) von den Federschenkeln (3) abgebogen sind, um den Kontaktstift (5) beim Einführen in die Kontaktfeder (1) in diesem Bereich von vier Seiten her kontaktierend zu umgreifen, wobei die Führungsstege (10) nur an dem Ende der Kontaktfeder (1) angeordnet sind, wo beim Zusammenfügen von Kontaktfeder (1) und Kontaktstift (5) die erste Berührung zustande kommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine einteilige, zweischenklige Kontaktfeder für Miniatur-Steckverbindungen, insbesondere für Hochfrequenzsignale, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine einteilige, zweischenklige Kontaktfeder für Miniatur-Steckverbindungen ist beispielsweise aus DE 43 30 390 C2 bekannt. Die aus einem Metallband fortlaufend gestanzte und gebogene Kontaktfeder trägt zwei Federschenkel, deren freie Enden zwei sich gegenüber liegende Kontaktkuppen samt Kontakteinlauf für ein Kontaktmesser bilden. Der Kontakteinlauf ist seitlich versetzt und um 90° gedreht zu den ebenen Federschenkeln, weshalb selbst extrem lange Kontaktmesser Verwendung finden können. Das Kontaktmesser schiebt sich beim Verbinden zwischen die Einlauf- und Kontaktkuppen hindurch bis zu einem Anschlag. Die Bauweise eignet sich insbesondere für Messerleisten mit kleinen Rasterabständen.
Eine einteilige mit zwei gegenüberliegenden Federschenkeln versehene Kontaktfeder für Einpresstechnik zeigt ferner die DE 33 24 737 C2 .
Weiterhin sind einteilige Kontaktfedern bekannt, die einen mehr oder wenig geschlossenen Käfig für ein Kontaktmesser bzw. Kontaktstift bilden ( DE 38 17C3 803 C3 , EP 0 390 865 B1 , EP 0 958 638 B1 , US 5 281 175 ). Letztere Klemmen werden jedoch dem Trend in der Industrie, die Dichte der elektrischen Signalverbindungen zu erhöhen, und damit Raum und Kosten zu sparen, nicht vollends gerecht. Auch die bekannten Steckverbindungen nach der US 3,183,471 A , der GB 2 162 700 A , der US 3,188,606 A , der US 3,546,663 A und der DE 1 786 455 U können der Forderung der Industrie, die Dichte der elektrischen Signalverbindungen zu erhöhen, und damit Raum und Kosten zu sparen, nicht vollends gerecht werden. Diese Steckverbindungen nutzen zwar eine einteilige, teils mehrschenklige Kontaktfeder, die aber alle nur für die Verwendung an Einzel-Kabel-Verbinder bzw. entsprechende Einzel-Steck-Verbinder ausgebildet sind. Allen vorstehend angeführten Kontaktfedern haftet der Nachteil an, dass der kontaktbildende Bereich zwischen der Kontaktfeder und einem Steckanschluss, wozu beispielsweise flache Kontaktmesser, quadratische oder runde Kontaktstifte, aber auch Leiterplattenanschlüsse zählen, auf eine Punkt- oder linienförmige Zone sich gegenüberliegender Kontaktstellen ausgerichtet ist, was Wünsche für eine höhere Stromtragfähigkeit und insbesondere für Hochfrequenzanwendungen einer Steckverbindung offen lässt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass es für Hochfrequenzsignale neben einer sicheren mechanischen und elektrischen Verbindung, einer Impedanzanpassung und einer gegenseitigen Schirmung der Kontaktfedern eines Steckers untereinander wünschenswert wäre, auch die negativen Auswirkungen von Reflexionen auf das elektrische Übertragungsverhalten einer Steckverbindung zu verringern oder gänzlich zu vermeiden, welche dadurch verursacht werden, dass ein Signalanteil über die Kontaktierungszone hinaus bis zur Spitze eines Steckanschlusses weiterläuft und von dort gespiegelt wird. Hierdurch werden die Eingangssignale ab der Steckverbindung aufgeteilt, wobei einem Teil ein von der freien Länge des Steckanschlusses abhängiger Laufzeitunterschied aufgeprägt wird, der auf dem weiteren Übertragungsweg zu solchen Signalbeeinträchtigungen führen kann, wie Echo und Signalschwächung. Andererseits kann man aber die Einstecklänge eines Steckanschlusses in eine Kontaktfeder nicht beliebig verkürzen, weil damit eine sicher Kontaktierung und ein paralleler Einlauf des Steckanschlusses in eine Kontaktfedern, die auch eine Einführ- und Führungsfunktion für den Steckanschluss hat, leiden würde. Dies trifft insbesondere auf vielpolige elektrische Miniatur-Steckverbinder zu, wie sie beispielsweise in der Nachrichtentechnik und Computertechnik verwendet werden. Würde andererseits die Kontaktierung von Steckverbindungen an das Ende der Steckanschlüsse gelegt, so ist die Kontaktsicherheit wegen der unvermeidlichen Toleranzen nicht mehr gewährleistet, da die Kontaktfeder die Spitze des Steckanschlusses nur berühren dürfte, um Reflexionen zu vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einteilige, zweischenklige Kontaktfeder für Miniatur-Steckverbindungen für insbesondere Hochfrequenzanwendungen zu schaffen, der diese Nachteile nicht anhaften. Insbesondere sollen Signalreflexionen am freien Ende eines Steckanschlusses, wie Leiterplattenanschluss, Kontaktmesser oder Kontaktstift, sicher vermieden werden. Darüber hinaus ist es Aufgabe, die Kontaktzuverlässigkeit und Stromtragfähigkeit zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine einteilige, zweischenklige Kontaktfeder für Miniatur-Steckverbindungen für Hochfrequenzsignale mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen zeigen die abhängigen Ansprüche auf.
Indem ein längerer Kontaktierungsbereich einer Steckverbindung bis zu dem freien Ende eines eingesteckten Steckanschlusses in Form eines Kontaktstiftes führt, werden erfindungsgemäß Reflexionen von HF-Signalen an der Spitze eines Steckanschlusses und damit Laufzeitdifferenzen vermieden.
Die Erfindung und die mit der Erfindung außerdem erzielten Vorteile sollen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine Steckverbindung nach dem Stand der Technik,
2 eine erfindungsgemäße Steckverbindung aus Kontaktfeder und Steckanschluss,
3 eine Kontaktfeder mit Leiteranschlussteil in perspektivischer Seitenansicht,
4 die Kontaktfeder mit Leiteranschlussteil aus perspektivischer Rückansicht und
5 Einzelheiten einer Einlaufzone der Steckverbindung.
Anhand der 1 sollen zunächst die Nachteile eines herkömmlichen Miniatursteckverbinders für Hochfrequenzsignale aufgezeigt werden. Die einteilige, zweischenklige Kontaktfeder 21 trägt einander spiegelbildlich gegenüberliegende Kontaktierungsstellen 22 in Form von Kontaktkuppen an den freien Enden der Federschenkel 23, die zugleich eine Einlaufzone 24 für einen Steckanschluss ausbilden, der hier als ein im Querschnitt quadratischer Kontaktstift 5 ausgeführt ist. Für eine mechanisch und elektrisch sichere Kontaktierung K mit dem Kontaktstift 5 und im Interesse einer parallelen Führung der Kontaktfeder 21 zum Kontaktstift 5, insbesondere mit Blick auf eine Vielzahl von parallelen Kontaktfedern 21 in einem nicht näher dargestellten Federgehäuse, ist es aus Gründen der Toleranzbeherrschung notwendig, dass die punkt- bzw. querlinienförmige Kontaktierung K nicht unmittelbar an der freien Spitze 6 des Kontaktstiftes 5 hergestellt wird, sondern in einem gewissen Abstand B dahinter. Für Hochfrequenzsignale im GHz-Bereich hat das allerdings die Wirkung, dass sich an der Steckverbindung das HF-Signal aufteilt. Ein Signalanteil fließt an der Kontaktierung K direkt über die Kontaktkuppen der Kontaktierungsstellen 22, die Federschenkel 23 und einen Leiteranschlussteil 27 ab. Der andere Signalanteil fließt an den Kontaktkuppen der Kontaktierungsstellen 22 vorbei zur Spitze 6 des Kontaktstiftes 5, wird an der Spitze 6 reflektiert und fließt erst dann über die Kontaktierung K, die Federschenkel 23 und den Leiteranschlussteil 27 ab. Hierdurch entstehen Laufzeitunterschiede und damit unterschiedliche Nullphasen zwischen Anteilen ein und desselben Signals. Die Phasenverschiebung zeitigt die Wirkung, dass infolge der unkorrelierten Signalüberlagerung Signalverfälschungen, wie Signalechos oder Signaldämpfungen auftreten. Bei extrem ungünstigen Verhältnissen von Signallaufzeitdifferenz und Signalträgerfrequenz kann es aufgrund dieser so genannten Interferenzen sogar zu einer Signallöschung kommen, nämlich dann, wenn eine Phasenverschiebung der beiden Signalanteile gegen 180° auftritt. Sind diese Auswirkungen z. B. im digitalisierten Sprechverkehr dank geeigneter Sprachsignalverarbeitung noch hinnehmbar, so ist die Situation im bitorientierten Datenverkehr schon eine weitaus kritischere, weshalb nicht zuletzt deshalb eine Reihe von Übertragungsressourcen verbrauchender Prüf- und Redundanzmaßnahmen im Datenverkehr erforderlich sind.
Die Erfindung vermeidet diese Folgen, wie nachfolgend anhand 2 näher erläutert werden soll. Die 2 zeigt die Verbindung einer lang gestreckten U-förmigen Kontaktfeder 1 mit einem Steckanschluss, hier wiederum ein im Querschnitt etwa quadratischer Kontaktstift 5. Ebenso könnte die Steckverbindung für beispielsweise ein Kontaktmesser, einen runden Kontaktstift oder einen Leiterplattenanschluss dimensioniert sein. Die Kontaktfeder 1 hat einen Federboden 8, aus dem beidseitig die beiden Federschenkel 3 abgekantet sind. Der Federboden 8 geht in einen Leiteranschlussteil 7 über, über den die HF-Signale weitergeleitet werden. Beide Federschenkel 3 sind längs über den gesamten Einsteck- bzw. Kontaktierungsbereich A in mehrere Kontaktierungsabschnitte 2 aufgeteilt, wodurch ein eingesteckter Kontaktstift 5 an mehreren Stellen, insbesondere aber bis zu seiner Spitze 6, die Kontaktfeder 1 kontaktiert. Hierdurch werden mehrere Vorteile erreicht. Zum einen eine ausgezeichnete seitliche Führung des Kontaktstiftes 5. In einem mehrpoligen Stecker werden also die Kontaktstifte 5 streng parallel ausgerichtet sein, was nicht nur mechanisch die Steckverbindung entlastet, sondern auch die Übertragungskenndaten, wie Reflexions- und Übersprechverhalten zwischen den einzelnen Leitern, deutlich verbessert. Es verbessert sich ferner die Kontaktsicherheit, indem mehrere Kontaktierungsabschnitte 2 über die Einstecklänge verteilt sind. Weiterhin erhöht sich linear mit der Anzahl der Kontaktierungsabschnitte 2 pro Steckverbindung die Stromtragfähigkeit einer Steckverbindung. Zwar sind die zu übertragenden Signalströme gerade im HF-Bereich an sich nicht sonderlich groß, aber relativ bezogen auf die gebotene Miniaturisierung der Technik in Bereichen wie Nachrichtentechnik, Computertechnik, Weltraumtechnik, Medizintechnik usw., bereits eine zu berücksichtigende Größe.
Insbesondere aber wird durch die Kontaktierung eines Steckanschlusses an seiner Spitze 6 eine Spiegelung von Signalanteilen an der Spitze 6 ausgeschlossen. Es werden somit unerwünschte Reflexionen, Beugungen, Streuungen und Dämpfungen von HF-Signalen innerhalb eines Steckverbinders vermieden.
In 3 ist eine einzelne Kontaktfeder 1 in perspektivischer Seitenansicht dargestellt. Die Bezugszeichen sind zu 2, wie auch zu den weiteren Figuren, identisch. Man erkennt den Federboden 8, von dem aus die beiden Federschenkel 3 abgebogen sind. Der Biegewinkel beträgt etwas mehr als 90°, so dass die beiden Federschenkel 3 leicht schräg aufeinander zulaufen und Federkraft auf den Kontaktstift 5 ausüben können. Die Kontaktierungsabschnitte 2 werden gebildet, indem zwischen ihnen die Federschenkel 3 geeignet ausgespart sind. Jeder Kontaktierungsabschnitt 2 bringt hierdurch eine eigene Feder- bzw. Kontaktierungskraft auf. Die Aussparungen 9 sind etwa trapezförmig, wobei die kleinere Grundlinie der Aussparungen 9 bis in den Federboden 8 hineinreicht, wodurch die Federwirkung verbessern wird, und die größere Grundlinie vor den freien Enden der Federschenkel 3 endet. Vorzugsweise sind die Aussparungen 9 im Bereich des Federbodens 8 gerundet, was dem Einreißen des Federmaterials bei Belastung entgegenwirkt. Im Beispiel sind jeweils vier Aussparungen 9 über den gesamten kontaktgebenden Kontaktierungsbereich A der Kontaktfeder 1 in den Federschenkeln 3 angeordnet, die sich paarweise gegenüberstehen. Der Federboden 8 geht an einem Ende in das Leiteranschlussteil 7 über. Dieses kann selbst eine Leiterbahn ausbilden oder dem Anschluss eines Leiters oder einer sonstigen elektrischen Komponente dienen. Am freien Ende der Kontaktfeder 1 sind zusätzlich zwei Einführstege 10 als Einführhilfe für den Kontaktstift 5 vorgesehen. Die Einführstege 10 verbessern zugleich die mechanische Festigkeit der Steckverbindung.
In 4 ist die Kontaktfeder 1 nach den vorhergehenden 2 und 3 nochmals in perspektivischer Sicht auf ihre Rückseite dargestellt. Mit 7 ist der Leiteranschlussteil bezeichnet, 8 verweist auf den Federboden. Man erkennt die in den Federboden 8 hineingezogenen, gerundeten Aussparungen 9, die sich entgegengesetzt bis weit in die freien Federschenkel 3 fortsetzen. Am freien Ende der Kontaktfeder 1 sind von den Federschenkeln 3 die Einführstege 10 abgebogen. Die Kontaktierungsabschnitte 2 liegen längs der Federschenkel 3 zwischen den Aussparungen 9.
Das Einführungsende einer Kontaktfeder 1 gemäß der Erfindung ist aus 5 besonders deutlich erkennbar. Der Kontaktstift 5 ist allseitig angefast, wodurch er eine kurze Einführnase 11 erhält. Die Einführnase 11 findet beim Verbinden die mit den Führungsstegen 10 ausgestattete Kontaktfeder 1.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktfeder
2: Kontaktierungsabschnitte
3: Federschenkel
4: Einlaufzone
5: Kontaktstift (allgemein Steckanschluss)
6: Spitze des Kontaktstiftes (von Pos. 5)
7: Leiteranschlussteil (von Pos. 1)
8: Federboden
9: Aussparung
10: Führungssteg
11: Einführnase
A: Kontaktierungsbereich
21: Kontaktfeder (nach Stand der Technik)
22: Kontaktierungsstellen
23: Federschenkel (an Pos. 21)
24: Einlaufzone (an Pos. 21)
27: Leiteranschlussteil (von Pos. 21)
B: Abstand (in 1 an Pos. 5)
K: Kontaktierung

Claims

Einteilige, zweischenklige Kontaktfeder (1) für Miniatur-Steckverbindungen für Hochfrequenzsignale, mit einem Kontaktierungsbereich (A) zum Kontaktieren eines Kontaktstifts (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (1) einen Federboden (8), aus dem beidseitig Federschenkel (3) abgekantet sind, aufweist, wobei die Federschenkel (3) samt dem Federboden (8) den Kontaktstift (5) über seine Einstecklänge von drei Seiten her umgreifen, wobei ein Paar einander gegenüberliegend angeordneter Führungsstege (10) von den Federschenkeln (3) abgebogen sind, um den Kontaktstift (5) beim Einführen in die Kontaktfeder (1) in diesem Bereich von vier Seiten her kontaktierend zu umgreifen, wobei die Führungsstege (10) nur an dem Ende der Kontaktfeder (1) angeordnet sind, wo beim Zusammenfügen von Kontaktfeder (1) und Kontaktstift (5) die erste Berührung zustande kommt.
Kontaktfeder (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder (1) einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Federschenkel (3) der Kontaktfeder (1) über die Länge des Kontaktierungsbereichs (A) federnde Kontaktierungsabschnitte (2) ausbilden.
Kontaktfeder (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federschenkel (3) über die Länge des Kontaktierungsbereichs (A) in Abständen Aussparungen (9) aufweisen, die bis in den Federboden (8) hinein reichen.
Kontaktfeder (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (9) trapezartig ausgebildet sind, wobei die größeren Grundseiten der Aussparungen (9) den freien Enden der Federschenkel (3) zugewandt sind.
Kontaktfeder (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (9) im Bereich des Federbodens (8) gerundet sind.
Kontaktfeder (1) nach einem der Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Aussparungen (9) paarweise gegenüber liegen.
Kontaktfeder (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Länge der Federschenkel (3) 2 bis 6 Paar Aussparungen (9) angeordnet sind.
Kontaktfeder (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Federboden (8), in Einsteckrichtung gesehen, nach den Federschenkeln (3) in ein Leiteranschlussteil (7) übergeht.