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Die
Erfindung betrifft ein Niedrigeinführkraft-Steckverbinderteil, ein Verfahren zum
Herstellen desselben und ein Substrat für dasselbe.
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Höchstleistungen
von elektrischen Geräten und
die Diversifikation von Fahrzeuggeräten verlangen mehr Steckverbinderteile.
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Dies
verursacht eine große
Kraft, um die Steckverbinder zu verbinden. Es ist dann erforderlich,
die Kraft, um sie zu verbinden, zu reduzieren.
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JP-2002-110276-A,
JP-2001-257022-A und JP-H05-121128-A offenbaren eine Kraftreduktion
von Steckverbinderteil-Federn, um die Kontaktkraft zu reduzieren.
Dies jedoch verursacht einen Anstieg des Kontaktwiderstands.
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JP-2002-280112-A
und JP-2001-237026-A offenbaren einen Steckverbinder, welcher mit
einem Hebel zusammengedrückt
wird, nachdem die Steckverbinder mit niedriger Zusammendrückkraft
miteinander verbunden worden sind. Dies führt jedoch zu einem Anstieg
der Kosten.
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Um
die Gleitreibung zu reduzieren, wird auf die Gleitfläche von
einem Steckverbinderteil ein Schmiermittel, wie z.B. Öl, angewandt
oder ein Mehrschichtüberzug
geformt. Diese Verfahren ergeben jedoch keine ausreichenden Effekte,
aber führen
zu einem Anstieg der Kosten.
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JP-2002-088496-A
und JP-H11-317253-A offenbaren eine Anwendung eines MoS2 Schmierfilms
auf der Gleitfläche
von einem Steckverbinderteil. Dies jedoch verursacht einen Anstieg
des Kontaktwiderstandes.
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Ein
Ziel der Erfindung ist das Bereitstellen eines Niedrigeinführkraft-Steckverbinderteils.
Das Steckverbinderteil ist leicht herzustellen und mittels einer signifikant
niedrigen Kraft ohne Verwendung eines Einstellhebels mit einem anderen
Steckverbinderteil zu verbinden. Das Steckverbinderteil verursacht
keinen Anstieg des Kontaktwiderstands.
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Gemäß Anspruch
1 der Erfindung weist ein Niedrigeinführkraft-Steckverbinderteil
eine selbstassemblierte Monoschicht (SAM) auf der Gleitfläche davon
auf.
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Gemäß Anspruch
4 der Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Niedrigeinführkraft-Steckverbinderteils
einen Schritt des Formens einer selbstassemblierten Monoschicht
auf der Gleitfläche
davon auf.
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Gemäß Anspruch
7 der Erfindung weist ein Substrat für ein Niedrigeinführkraft-Steckverbinderteil
eine selbstassemblierte Monoschicht auf der Gleitfläche davon
auf.
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1 zeigt
ein XPS (Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie) Spektrum
eines nicht beschichteten Substrats,
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2A zeigt
ein vergrößertes Spektrum
von dem Kohlenstoff C1s Peak,
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2B zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Sauerstoff O1s Peaks,
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2C zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Zinn Sn3d Peaks,
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2D zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Kupfer Cu2p Peaks,
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2E zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Schwefel S2t Peaks,
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3 zeigt
ein XPS Spektrum von einem beschichteten Substrat aus Beispiel 1,
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4A zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Kohlenstoff C1s Peaks,
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4B zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Sauerstoff O1s Peaks,
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4C zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Zinn Sn3d Peaks,
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4D zeigt
ein vergrößertes Spektrum
des Schwefel S2p Peaks,
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5 zeigt
die Änderung
des Kontaktwiderstandes über
der Kontaktkraft für
das beschichtete Substrat A und das nicht beschichtete Substrat
aus Beispiel 1,
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6 stellt
ein Verfahren zum Messen des Reibungswiderstandes dar,
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7A zeigt
den Reibungskoeffizienten über
der Verschiebung für
das nicht beschichtete Substrat aus Beispiel 1, wobei die Messung
zweimal durchgeführt
wurde,
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7B zeigt
den Reibungskoeffizienten über
der Verschiebung für
das beschichtete Substrat aus Beispiel 1, wobei die Messung zweimal
durchgeführt
wurde,
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8 zeigt
ein Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES) Spektrum für ein beschichtetes
Substrat aus Beispiel 2,
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9 zeigt
eine Änderung
der Last über
der Gleitdistanz, wenn konventionelle Steckverbinder miteinander
verbunden werden,
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10 zeigt,
dass das Steckteil von einem Stecker in die Feder von einer Buchse
eingeführt wird,
wenn die konventionellen Steckverbinder miteinander verbunden werden,
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11 zeigt
die Laständerung,
wenn die Steckverbinder in Beispiel 2 miteinander verbunden werden,
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12A zeigt ein XPS Spektrum von einem beschichteten
Substrat aus Beispiel 3,
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12B zeigt ein vergrößertes Spektrum von dem Kohlenstoff
C1s Peak,
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12C zeigt ein vergrößertes Spektrum von dem Schwefel
S2p Peak,
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13A zeigt ein XPS Spektrum von einem nicht beschichteten
Substrat aus Beispiel 3,
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13B zeigt ein vergrößertes Spektrum des Kohlenstoff
C1s Peaks,
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13C zeigt ein vergrößertes Spektrum von dem Schwefel
S2c Peak, und
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14 zeigt
den Kontaktwiderstand über der
Kontaktkraft für
das beschichtete Substrat und das nicht beschichtete Substrat.
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Eine
selbstassemblierte Monoschicht gemäß der Erfindung ist mittels
einer chemischen Bindung von organischen Molekülen mit Metallen der Steckverbinderteil-Oberfläche auf
der Steckverbinderteil-Oberfläche
geformt. Die organischen Moleküle bilden
eine Monoschicht, welche aus über
van der Waals Kräfte
ausgerichteten bzw. orientierten Molekülen besteht. Die selbstassemblierte
bzw. selbstorganisierte Monoschicht ist dicht und fest und gibt
einen niedrigen Reibungswiderstand und einen hohen Flächenschutz.
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Die
selbstassemblierte Monoschicht ist zumindest auf der Gleitfläche von
dem Steckverbinderteil-Metall, wie z. B. Kupfer, einschließlich Kupferlegierungen,
Gold, Silber, Zinn oder einem Überzug
davon, geformt.
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Ein
Substrat aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, welches billig und
hoch leitend ist, wird verwendet, und eine Zinnschicht wird mittels
Plattieren auf der Oberfläche
von dem Substrat geformt. Der Oxidfilm der Zinnschicht ist dünn und leicht
abzulösen,
so dass leicht eine frische metallene Oberfläche erhalten wird.
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Wenn
die Gleitfläche
von dem Steckverbinderteil-Metall verschmutzt, oxidiert oder sulfuriert
ist, ist die Ausbildung der selbstassemblierten Monoschicht sehr
beeinträchtigt,
so dass ein Reinigen notwendig ist, um das Metalloxid und das Metallsulfid
zu entfernen. Zum Reinigen werden saure Lösungen, wie z. B. Schwefelsäure, Salzsäure und
Salpetersäure,
verwendet.
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Der
Film des Zinnoxids ist stärker
(dichter) als der des Kupferoxids, so dass es erstrebenswert ist,
zum Reinigen der Fläche,
welche Zinn aufweist, Salpetersäure
zu verwenden.
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Andere
Säuren
als Salpetersäure
können Oxide
kaum entfernen. Sie erzeugen nach der Entfernung der Oxide Nebenprodukte
und verursachen einen Anstieg der Oberflächenrauhigkeit. Die Nebenprodukte
verhindern die Ausbildung der selbstassemblierten Monoschicht, so
dass die Reibungsreduktion verhindert wird.
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Zum
Reinigen der Zinnfläche
ist es erstrebenswert eine Salpetersäurekonzentration von 13Ma%
bis 17Ma% bei einer Reinigungszeit von 8 bis 13 Sekunden zu verwenden.
Es ist erstrebenswert die Lösung
während
dem Reinigen der Zinnfläche
zu rühren.
Unter dieser Bedingung wird der beste Zustand der Zinnfläche zum
Formen der selbstassemblierten Monoschicht bereitgestellt.
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Ferner
kann zumindest ein Reinigungsverfahren mit einem Lösemittel,
Wasser oder einer alkalischen Flüssigkeit
vor und nach dem Säurereinigungsprozess
mit diesem kombiniert werden.
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Wenn
die Gleitfläche
mit Gold, Platin oder Palladium geformt ist, welche kaum Oxide oder
Sulfide auf der Oberfläche
davon formen, ist es möglich das
Reinigen auszulassen. Jedoch, wenn Rost bzw. Moderflecken, wie z.
B. organische Substanzen, an der Metalloberfläche anhaften, ist es erstrebenswert die
Fläche
vor dem Herstellen der selbstassemblierten Monoschicht zu reinigen,
um nachteilige Effekte auf die Eigenschaften von der Monoschicht,
wie z. B. die Ausrichtung, zu vermeiden.
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Organische
Moleküle
zum Formen bzw. Ausbilden der selbstassemblierten Monoschicht auf
der Metalloberfläche
weisen Adsorptionsfunktionsgruppen auf. Spezifische Absorptionsfunktionsgruppen sind
organische Thiolsubstanzen (R1SH) mit einem Thiolradikal,
Disulfidverbindungen (R1SSR2)
mit einem Disulfidradikal und Sulfidverbindungen (R1SR2) mit einem Sulfidradikal. Hier sind R1 und R2 geradkettige
Kohlenwasserstoffgruppen, wie z. B. -(CH2)nCH3, fluorsubstituierte
Kohlenwasserstoffgruppen, wie z. B. -(CH2)nCF3, –(CH2)nCF3-(CH2)n(CH2)mCF3, wobei Fluor
zumindest einen Wasserstoff bzw. ein Wasserstoffatom in der Kohlenwasserstoffgruppe
substituiert, carboxylsubstituierte Kohlenwasserstoffgruppen, wie
z. B. -(CH2)nCOOH,
wobei die Carboxylgruppe zumindest einen Wasserstoff in der Kohlenwasserstoffgruppe
substituiert, aminosubstituierte Kohlenwasserstoffgruppen, wie z.
B. -(CH2)nNH2, wobei die Aminogruppe zumindest einen
Wasserstoff in der Kohlenwasserstoffgruppe substituiert, oder hydroxysubstituierte
Kohlenwasserstoffgruppen, wie z. B. -(CH2)nCH2OH, wobei die
Hydroxygruppe zumindest einen Wasserstoff in der Kohlenwasserstoffgruppe substituiert.
Hier sind n und m natürliche
Zahlen gleich oder größer als
3.
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Das
R in den organischen Thiolsubstanzen (R1SH)
ist eine Alkylgruppe aus -(CH2)nCH3, eine fluorierte Alkylgruppe aus -(CH2)nCF3,
eine aliphatische Karbonsäuregruppe
aus -(CH2)nCOOH
oder eine aliphatische Alkoholgruppe aus -(CH2)nCH2OH, wobei n eine
natürliche
Zahl gleich oder größer als
3 ist.
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Solch
eine organische Thiolsubstanz wird in einem alkoholischen Lösungsmittel,
wie z. B. Ethanol, Methanol oder Isopropylalkohol gelöst, um eine Thiol-Alkohol-Lösung zu
erhalten. Der Gleitabschnitt von dem Steckverbinderteil wird eingetaucht
in oder verwendet mit der Lösung,
um die selbstassemblierte Monoschicht auf der Oberfläche von
dem Steckverbinderteil zu formen.
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Neben
dem Eintauchverfahren kann die selbstassemblierte bzw. selbstassemblierende
Monoschicht mittels Dampfabscheidung mittels in Kontaktbringen des
Gleitabschnitts von dem Steckverbinderteil mit dem Dampf von organischer
Thiolsubstanz geformt werden.
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Beispiel 1: Substrat
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<Bildung von selbstassemblierter Monoschicht>
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Es
wurde ein zinnplattiertes Kupferlegierungssubstrat (Produktname
NB109: Dowa Mining Co., Ltd.), welches allgemein für Steckverbinderteile verwendet
wird, mit einer Dicke von 0,2 mm verwendet.
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Als
eine Vorbehandlung wurde das Substrat für 10 Sekunden in eine 15Ma%
Salpetersäurelösung eingetaucht,
um eine frische Oberfläche
von dem Zinnmetall mittels Entfernen der Oxidschicht von der Substratoberfläche zu erhalten.
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Ein
Oktadekanthiol (erhältlich
bei Aldrich Corporation) wurde in Ethanol von 99,5Ma% gelöst, um eine
Lösung
von 1mM bereitzustellen. Das vorbehandelte Kupferlegierungssubstrat
wurde für
48 Stunden in die Lösung
eingetaucht und mittels Ultraschallreinigung in Ethanol gereinigt.
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<Nachweis von selbstassemblierter Monoschicht>
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Eine
Betrachtung von dem beschichteten Substrat A mittels XPS (Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie)
bestätigte
eine Komponente aus Oktadekanthiol auf der Oberfläche von
dem zinnplattierten Substrat.
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1 zeigt
ein XPS Spektrum von dem nicht beschichteten Substrat, und zwar
desjenigen, welches nur mit Salpetersäure vorbehandelt wurde. Die 2A bis 2E zeigen
vergrößerte Spektren
von dem Kohlenstoff C1s Peak (2A), dem
Sauerstoff O1s Peak (2B), dem Zinn Sn3d Peak (2C) bzw.
dem Kupfer Cu2p Peak (2D) von 1. 3 zeigt
ein XPS Spektrum von dem beschichteten Substrat A. Die 4A bis 4D zeigen
vergrößerte Spektren
von dem Kohlenstoff C1s Peak (4A), dem
Sauerstoff O1s Peak (4B), dem Zinn Sn3d Peak (4C)
bzw. dem Schwefel S2p Peak (4D) von 3.
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Mit
der XPS Betrachtung wurde festgestellt, dass die selbstassemblierte
Monoschicht nicht mittels der Ultraschallreinigung entfernt wurde
und mit der zinnplattierten Fläche
verbunden ist.
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<Evaluierung des Kontaktwiderstandes>
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Der
Kontaktwiderstand von dem beschichteten Substrat wurde gemessen,
und der Effekt auf elektrische Eigenschaften wurde studiert. Jeweils zwei
Proben wurden für
das nicht beschichtete Substrat und das beschichtete Substrat gemessen.
Der Wert wurde mit dem des nicht beschichteten Substrats verglichen.
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Die
Kontaktlast von einem Stempel auf das beschichtete Substrat A wurde
von 0,908 - 9,8 N variiert, und der Kontaktwiderstand (R) wurde
mit dem Vier-Sensor-Verfahren (Four-Probe-Verfahren) gemessen. Der
Widerstand wurde aus der Gleichung R = V/I (Gln.1) erhalten, worin
V die Spannungsdifferenz zwischen den Sensoren bzw. Kontakten ist,
und worin I der angewandte Strom ist.
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5 zeigt
das Resultat. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt: Kontaktgewicht:
0,098 - 9,8 N, angewandte Stromstärke (I): 10 mA, Radius des
Stempelendes: 1,0 mm. Der Stempel ist aus einer mit Reflow-Zinn
plattierten Kupferlegierung hergestellt. Der Stempel wurde vor der
Messung gründlich
mit Trichlorethan gereinigt.
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Wie
in 5 gezeigt, ist der Kontaktwiderstand von dem beschichteten
Substrat bei einer Kontaktlast von 5N gleich 0,9-4mΩ, welcher
Wert dem Schließzustand
eines tatsächlich
verwendeten Steckverbinderteils entspricht, und weist fast den gleichen
Wert wie das nicht beschichtete Substrat auf. Obgleich die selbstassemblierte
Monoschicht geformt ist, ist der Kontaktwiderstand kaum verändert. Es
wird angenommen, dass die selbstassemblierte Monoschicht eine Dicke
von gleich oder weniger als ein paar Dutzend Angström aufweist
und ein Tunnelstrom auftreten kann. Die selbstassemblierte Monoschicht
beeinträchtigt
die elektrischen Eigenschaften fast nicht und ist vermutlich für die Anwendung
auf elektrische Kontaktabschnitte, wie zum Beispiel das Steckverbinderteil,
geeignet.
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Es
wurde festgestellt, dass der Reibungskoeffizient bei der schweren
Last von 5N abnimmt. Dies bestätigt
die Bildung von einer starken selbstassemblierten Monoschicht mit
einer Ausrichtung zwischen den organischen Molekülen.
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<Evaluierung des Reibungskoeffizienten>
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Der
Reibungskoeffizient wurde auf dem beschichteten Substrat A und dem
nicht beschichteten Substrat gemessen. Für die Bedingung einer tatsächlichen
Anwendung hatte der Stempel von dem Messverfahren eine Kontaktform,
welche gleich der des Steckverbinderteils ist. Wie in 6 gezeigt, wurde
durch den Stempel eine gegebene Last von 5N auf das Substrat angewandt,
und das Substrat wurde gleitbewegt, und die Kraft, welche auf das Substrat
aufgebracht wurde (dynamische Reibungskraft), wurde mit einem Gleittester
(Produkt von Yamazaki Seiki Laboratory) gemessen. Der Reibungskoeffizient
ist wie folgt gegeben: Reibungskoeffizient = dynamische Reibungskraft/Kontaktlast
(Gln. 2).
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Die
Versuchsbedingungen sind wie folgt: Kontaktgewicht: 5N, Testgeschwindigkeit: 24mm/min,
Verschiebung: 5mm (eine Richtung und einmal), zinnplattierter Kupferlegierungsstempel,
aufweisend eine Halbkugel mit einem Radius von 1,0 mm an einem Kontaktabschnitt
mit dem Substrat. 7A zeigt das Resultat von dem
nicht beschichteten Substrat, und 7B zeigt
das Resultat von dem beschichteten Substrat A.
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Das
Resultat zeigt, dass das beschichtete Substrat A gemäß der Erfindung
den dynamischen Reibungskoeffizienten in hohem Maße, auf
ein Drittel von dem des nicht beschichteten Substrats herabsetzt.
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Beispiel 2: Steckverbinder
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18
Steckverbinder-Steckerteile, hergestellt aus zinnplattiertem Messing,
und 18 Steckverbinder-Buchsenteile, hergestellt aus einer zinnplattierten
Kupferlegierung, wurden bereitgestellt. Sie wurden genauso wie das
Substrat in die 15Ma% Salpetersäurelösung eingetaucht
und für
48 Stunden in die 1mM Oktadekanthiol-Ethanol-Lösung eingetaucht, um die selbstassemblierte
Monoschicht zu formen, und wurden mittels Ultraschallreinigung in
Ethanol gereinigt. Ein Auger-Elektronen-Spektroskopie-Messgerät (AES)
bestätigte
die Präsenz
einer Schwefelkomponente in der Steckverbinderteiloberfläche, wie
in dem Spektrum von 8 gezeigt.
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Es
wurde die Einführkraft
zwischen dem jeweiligen beschichteten Stecker und der jeweiligen beschichteten
Buchse gemessen. Die Sicherungsstifte zum Verhindern des voneinander
Lösens
der Steckverbinderteile wurden für
die Messung entfernt.
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Ein
EZGraph-Tester (Produkt von Shimadzu Corporation) wurde für die Einführkraftmessung
verwendet. Das mit einer Lastzelle verbundene Steckverbinder-Buchsenteil
wurde von oben mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 25mm/min (gemäß JASOD
606) in Richtung des Steckverbinder-Steckerteils bewegt und vollständig verbunden.
Der EZGraph-Tester maß die
Laständerung
während
dem ineinander Gleiten der Steckverbinderteile.
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9 zeigt
die Laständerung,
wenn ein konventioneller Steckverbinder verbunden wird. Das Steckteil
von dem Steckverbinder-Steckerteil bzw. Stecker wird in die Feder
von dem Steckverbinder-Buchsenteil bzw. der Buchse eingeführt, wie
in 10 gezeigt. Wenn das Steckteil von dem Stecker in
die Feder eintritt, erreicht die Last einen Maximalwert, welcher
in 9 mit A bezeichnet ist. Wenn das Steckteil mittels
Gleiten weiter in die Buchse hinein bewegt wird, wird die Last ein
konstanter Wert, welcher mit B gekennzeichnet ist. Es wird angenommen, dass
die Last bei B mit dem Reibungskoeffizienten von dem Gleitabschnitt
zwischen dem Stecker und der Buchse korelliert.
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11 zeigt
die Resultate der Laständerung von
der Erfindung. 11 zeigt eine typische Laständerung, ähnlich der
von 9. In 11 beginnt
das Steckteil von dem Stecker bei dem Peak nahe einer Gleitdistanz
von 0,1 mm in die Feder der Buchse einzutreten. Die konstante Last
bei einer Gleitdistanz von über
0,12 mm entspricht der Gleitlast zwischen dem Stecker und der Buchse.
Da der Sicherungsstift für
das Testen der Steckverbinderteile entfernt ist, wird die Last als
konstant angenommen.
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11 zeigt,
dass der Wert der Last von dem beschichteten Steckverbinderteil
oder demjenigen mit der selbstassemblierten Monoschicht bei über 0,12
mm ungefähr
zwei Drittel von dem des nicht beschichteten Steckverbinderteils
ist. Die Erfindung bestätigte
die Reduktion der Einführkraft
für den tatsächlichen
Steckverbinder.
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Die
Verbindung von den nicht beschichteten Steckverbinderteilen oder
denjenigen ohne die selbstassemblierte Monoschicht weist bei einer
Gleitdistanz von über
0,12 mm einen Anstieg der Last auf, während die Verbindung von den
beschichteten Steckverbinderteilen einen nahezu konstanten Wert aufweist.
Es wird angenommen, dass die selbstassemblierte Monoschicht die
Haftung oder Reibung von Zinn während
dem Gleiten eines jeden Steckverbinderteils verhindern kann. Die
Maximallast nahe einer Gleitdistanz von 0,1 mm, wo das Steckteil
in die Buchsenfeder eintritt, nimmt ebenfalls ab. Die selbstassemblierte
Monoschicht hat den Effekt, den statischen Reibungskoeffizienten
bezüglich
dem Beginn des Gleitens zu reduzieren.
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Beispiel 3: Substrat
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Es
wurde eine Vorbehandlung mit 10Ma% Schwefelsäure anstelle der 15Ma% Salpetersäure aus
Beispiel 1 mit dem Kupferlegierungssubstrat (NB109: Produkt von
Dowa Mining Co., Ltd.) durchgeführt.
Die anderen Prozesse waren die gleichen als diejenigen von Beispiel
1.
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12A zeigt ein XPS Spektrum von dem beschichteten
Substrat. 12B zeigt ein vergrößertes Spektrum
von dem Kohlenstoff C1s Peak, und 12C zeigt
ein vergrößertes Spektrum
von dem Schwefel S2p Peak. 13A zeigt
ein XPS Spektrum von dem nicht beschichteten Substrat. 13B zeigt ein vergrößertes Spektrum von dem Kohlenstoff C1s
Peak, und 13C zeigt ein vergrößertes Spektrum
von dem Schwefel S2p Peak. Die XPS Betrachtung bestätigte eine
Komponente aus Oktadekanthiol auf der Oberfläche von dem beschichteten Substrat.
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Der
Reibungswiderstand wurde für
die Substrate mit einer Last von 5N auf den Stempel gemessen. Der
Reibungswiderstand von dem beschichteten Substrat war 0,08, während der
von dem nicht beschichteten Substrat 0,17 und fast doppelt so hoch war.
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14 zeigt,
dass der Reibungswiderstand von dem beschichteten Substrat bei der
Last von 5N gleich 1mΩ wird,
was nahezu der gleiche Wert wie der des nicht beschichteten Substrats
ist.
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Die
Steckverbinderteile gemäß der Erfindung
erfordern keinen speziellen Hebel zum Einstellen des Kontaktdrucks.
Sie sind leicht ohne Kostenerhöhung
herzustellen und von kleiner Größe. Sie
erhöhen
nicht den Kontaktwiderstand und sie sind mit geringer Einführkraft
leicht miteinander zu verbinden, so dass sie als Steckverbinder
von Fahrzeugen angewandt werden.