DE102011103598B4

DE102011103598B4 - Laminat zur Herstellung eines Schalters

Info

Publication number: DE102011103598B4
Application number: DE102011103598.6A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gehlert; Andreas Klein
Original assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: DE102011103598A1; WO2012163474A1

Abstract

Laminat zur Herstellung zumindest eines Schalters aufweisend eine dielektrische Schicht (54) und zumindest eine erste und eine zweite voneinander elektrisch isolierte elektrisch leitende Schichten (42, 52, 65) wobei in der dielektrischen Schicht (54) zumindest eine Ausnehmung (57) angeordnet ist, sich zumindest die erste elektrisch leitende Schicht (42, 52) in den Bereich der Ausnehmung (57) erstreckt und dort ein Federelement (45, 46, 53) bildet, so dass die erste elektrisch leitende Schicht (42, 52) durch eine Krafteinwirkung auf das Federelement (45, 46, 53) mit der zweiten elektrisch leitenden Schicht (65) elektrisch kontaktierbar ist, wobei die elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) parallel zueinander angeordnet sind, wobei die dielektrische Schicht (54) außer in der Ausnehmung (57) zwischen den elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) angeordnet ist und die elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) elektrisch voneinander isoliert, wobei das Federelement (45, 46, 53, 56) der ersten elektrisch leitenden Schicht (42, 52) elastisch in Richtung der zweiten elektrisch leitenden Schicht (65) biegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Federelement (45, 46, 53, 56) auf zumindest zwei Seiten mit der ersten elektrisch leitenden Schicht (42, 52) mit zumindest zwei federnden Stegen (46, 56) verbunden ist und der Kontaktbereich des Federelements (45, 46, 53, 56) im Bereich der Mitte des Federelements (45, 46, 53, 56) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laminat zur Herstellung zumindest eines Schalters umfassend eine dielektrische Schicht und zumindest eine erste und eine zweite voneinander elektrisch isolierte elektrisch leitende, insbesondere metallische Schichten, wobei in der dielektrischen Schicht zumindest eine Ausnehmung angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft auch einen Schalter umfassend ein solches Laminat, eine Laminatbahn umfassend eine Vielzahl von Laminatelementen aus einem solchen Laminat und eine Verfahren zur Herstellung eines solchen Laminats.
Mikroschalter finden in vielen miniaturisierten Geräten Anwendung. Solche Mikroschalter werden meist aus kleinen Einzelteilen zusammengesetzt, um eine möglichst kompakte Bauweise zu ermöglichen. Aus der EP 0 618 601 A1 ist ein Mikroschalter bekannt, bei dem ein beweglicher Schaltstößel in einem Gehäuse einen beweglichen Schaltkontakt bewegt, bis dieser umschnappt und dadurch den beweglichen Schaltkontakt zwischen zwei unbeweglichen Schaltkontakten schaltet. Beim Loslassen des Mikroschalters springt der Schaltkontakt wieder in seine Ausgangslage zurück.
Aus der DE 32 07 564 A1 ist ein Schalter für ein chirurgisches Instrument bekannt, bei dem ein Laminat gefaltet wird um ein Schalten zu ermöglichen. Durch die Faltung des Laminats können leitende Bereiche in Kontakt zueinander gebracht werden, wodurch der Schalter realisiert wird.
Solche Konstruktionen sind eher aufwendig gestaltet und lassen sich nicht kostengünstig in einer Massenfertigung herstellen. Es müssen meist viele Arbeitsschritte zum Herstellen eines solchen Schalters durchgeführt werden.
Die DE 33 43 373 A1 offenbart eine Membran-Schaltertastatur mit einem flexiblen Schaltungsträger. Auf dem Schaltungsträger ist ein Schaltungsmuster angeordnet, mit dem ein elektrischer Kontakt herstellbar ist.
Aus der WO 95/12207 A1 ist ein Schalter mit federnden Metallstreifen bekannt, mit dem ein Schaltvorgang durchgeführt werden kann. Durch einen mechanischen Druck wird der Streifen zu einem Gegenkontakt gedrückt und so der Schaltkontakt hergestellt. Ein ähnlicher Aufbau ist auch der US 6,486,427 B1 entnehmbar.
Die DE 100 01 953 C1 offenbart ein gattungsgemäßes Laminat zum Aufbau eines Schalters. Das Laminat umfasst mehrere Schichten eines elektrischen Leiters, die durch dielektrische Schichten voneinander getrennt sind. Geschaltet wird mit Hilfe eines elektrisch leitenden Fortsatzes an einem Hütchen, das durch eine Membran gehalten wird, die auch eine Rückstellkraft für das Hütchen bereitstellt. Als dielektrische Schicht wird eine Silikonmasse verwendet. Zumindest eine der dielektrischen Schichten umfasst eine Ausstanzung, so dass ein elektrisch leitender Fortsatz, der mit der Membran, die auch elektrisch leitend sein kann, elektrisch leitend verbunden ist, zwei Schichten des elektrischen Leiters kurzschließt, wenn eine Kraft auf das Hütchen ausgeübt wird.
Nachteilig ist hieran, dass das Schaltelement in Form des Fortsatzes passgenau auf dem Laminat befestigt werden muss, um den Schalter zu realisieren. Eine zuverlässige Kontaktierung von ausgestanzten leitenden Schichten durch die Seitenwände des Hütchens kann kaum gewährleistet werden. Die Verwendung flexibler dielektrischer Schichten beschränkt die Auswahl an Materialien, die zum Aufbau des Laminats geeignet sind. Ein kostengünstigerer Aufbau und eine Möglichkeit einen Schalter bereitzustellen, der einfacher in der Massenfertigung herzustellen ist, wäre wünschenswert. Auch wäre eine weitere Miniaturisierung der Schalter eine Verbesserung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere soll ein Laminat bereitgestellt werden, mit dem sich möglichst einfach ein Schalter aufbauen lässt. Dazu wäre es vorteilhaft, wenn das Laminat den Schalter möglichst weitgehend realisiert, so dass nur möglichst wenige zusätzliche Bauteile zum Aufbau des Schalters an dem Laminat befestigt werden müssen. Die Möglichkeit eine möglichst einfache Massenfertigung des Laminats bereitzustellen, beziehungsweise ein Laminat bereitzustellen, das sich besonders leicht in einer kostengünstigen Massenfertigung herstellen lässt, ist eine weitere Aufgabe der Erfindung.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass sich zumindest die erste elektrisch leitende Schicht in den Bereich der Ausnehmung erstreckt und dort ein Federelement bildet, insbesondere eine Blattfeder bildet, so dass die erste elektrisch leitende Schicht durch eine Krafteinwirkung auf das Federelement mit der zweiten elektrisch leitenden Schicht elektrisch kontaktierbar ist, wobei die elektrisch leitenden Schichten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wobei die dielektrische Schicht außer in der Ausnehmung zwischen den elektrisch leitenden Schichten angeordnet ist und die elektrisch leitenden Schichten elektrisch voneinander isoliert, wobei das Federelement der ersten elektrisch leitenden Schicht elastisch in Richtung der zweiten elektrisch leitenden Schicht biegbar ist, und wobei das Federelement auf zumindest zwei Seiten mit der ersten elektrisch leitenden Schicht mit zumindest zwei federnden Stegen verbunden ist und der Kontaktbereich des Federelements im Bereich der Mitte des Federelements angeordnet ist.
Die zweite elektrisch leitende Schicht ist dabei über das Federelement kontaktierbar. Eine elastische Auslenkung des Federelements soll erfindungsgemäß zur Kontaktierung ausreichend sein, um eine erhebliche plastische Verformung und damit eine deutliche Veränderung oder gar eine Zerstörung des Laminats beziehungsweise des Schalters zu vermeiden.
Bevorzugt werden Metalle zur Herstellung der elektrisch leitenden Schichten verwendet.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest der Kontaktbereich, der den elektrischen Kontakt zwischen dem Federelement und der zweiten elektrisch leitenden Schicht bildet, auf dem Federelement und/oder der zweiten elektrisch leitenden Schicht mit einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung beschichtet ist, vorzugsweise mit Gold oder einer Goldlegierung, besonders bevorzugt einer Ni-Pd-Au-Co-Legierung, wobei vorzugsweise die Dicke der Beschichtung zwischen 0,05 μm und 1 μm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 μm und 0,5 μm ist.
Diese Beschichtungen bewirken einen dauerhafteren Kontakt, da die Beschichtungen weniger stark erodieren und damit eine gute elektrische Leitfähigkeit der Kontakte an deren Oberflächen erhalten bleibt.
Auch kann vorgesehen sein, dass das Federelement oder die erste elektrisch leitende Schicht umfassend das Federelement aus einem ferromagnetischen Material oder einer elastischen elektrisch leitenden Legierung gefertigt ist, bevorzugt aus einer Kupfer-Legierung, besonders bevorzugt aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, ganz besonders bevorzugt aus einer CuNi₃-Legierung.
Die Verwendung eines ferromagnetischen Materials ermöglicht eine magnetische Schaltung eines erfindungsgemäßen Schalters, der aus einem solchen Laminat hergestellt ist. Die Kupfer-Legierungen, insbesondere das CuNi₃ hat neben der guten elektrischen Leitfähigkeit den weiteren Vorteil, dass es über gute elastische Eigenschaften verfügt, die für das Federelement benötigt werden. Die Verwendung dieser Materialien für die gesamte erste elektrisch leitende Schicht bietet den Vorteil, dass die gesamte Schicht nur aus einem Material gefertigt werden muss, was die Herstellung vereinfacht.
Erfindungsgemäße Laminate können sich auch dadurch auszeichnen, dass die dielektrische Schicht aus einem Kunststoff oder einem Harz, vorzugsweise aus einem Epoxidharz besteht.
Es kann besonders bevorzugt erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Laminat mit einer Stanz-Laminier-Technik hergestellt ist, wobei vorzugsweise die elektrisch leitenden Schichten auf die dielektrische Schicht geklebt, geschmolzen, geschweißt, verpresst oder gelötet sind.
Das Stanzen und Laminieren kann in einem Arbeitsschritt erfolgen und bedeutet erfindungsgemäß, dass die Prozessschritte des Stanzens und Laminierens zumindest zeitweise gleichzeitig erfolgen. Es spielt dabei keine Rolle, ob sich die auszustanzende Teile der elektrisch leitenden Schichten und der dielektrischen Schicht schon vor dem Andrücken des ausgestanzten Teile löst oder ob die Schichten zuerst in Verbindung zueinander gebracht werden und sich die Teile erst dann lösen. Dies kann dabei beispielsweise dadurch erreicht werden, dass dasselbe Werkzeug, das scharfe Kanten zum Ausstanzen hat, die Schichten auch flächig aufeinander drückt. Der Arbeitsschritt lässt sich also dadurch definieren, dass der Vorschub, beziehungsweise die Kraft sowohl zum Andrücken zumindest zweier Schichten als auch zum Ausstanzen zumindest einer Schicht verwendet wird. Es kann besonders bevorzugt sogar vorgesehen sein, dass gleichzeitig Wärme durch das Werkzeug bereitgestellt wird, um zumindest zwei Schichten aneinander zu befestigen.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass zumindest eine elektrisch leitende Schicht durch Prägen und/oder Ausstanzen strukturiert wird, insbesondere vor dem Stanz-Laminieren.
Erfindungsgemäße Laminate können sich auch dadurch auszeichnen, dass die elektrisch leitenden Schichten zwischen 20 μm und 500 μm, bevorzugt zwischen 100 μm und 200 μm, besonders bevorzugt 150 μm dick sind und/oder die dielektrische Schicht zwischen 50 μm und 1 mm, bevorzugt zwischen 100 μm und 400 μm, besonders bevorzugt 200 μm dick ist.
Dies Dicken bieten sehr kompakte, das heißt hier vor allem flache Schalter, die in bestimmten Einbausituationen besonders geeignet und bevorzugt sind.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Ausnehmung in der dielektrischen Schicht einen Querschnitt von 2 mm bis 20 mm hat, bevorzugt von 5 mm bis 15 mm, besonders bevorzugt von 10 mm.
Bei diesen Größen lassen sich noch gut ausreichend elastische Federelemente verwenden, ohne dass bei einer Kontaktierung eine plastische Verformung oder ein Bruch der Federelemente auftreten kann. Der Querschnitt der Ausnehmung ist dabei abhängig von der Dicke der dielektrischen Schicht. Je dünner die dielektrische Schicht ist, desto kleiner kann die Abmessung der Ausnehmung gewählt werden.
Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass das Federelement als Blattfeder geformt ist, bevorzugt als Schnappfeder geformt ist, besonders bevorzugt als Schnappfeder geprägt ist.
Blattfedern lassen sich besonders einfach aus den verwendeten Dünnschichten formen und sind daher besonders bevorzugt. Die Prägung als Schnappfeder nach Art eines „Knackfroschs” kann zusammen mit anderen Arbeitsschritten erfolgen und erfordert daher keine zusätzlichen Schritte.
Erfindungsgemäße Laminate können sich auch dadurch auszeichnen, dass im Kontaktbereich des Federelements und/oder der zweiten elektrisch leitenden Schicht eine Kalotte angeordnet ist, vorzugsweise eine Kalotte eingeprägt ist.
Die Kalotten bewirken eine definierte Kontaktierung der elektrisch leitenden Schichten, beziehungsweise daraus gefertigter Schalter.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine zusätzliche Metallfolie oder eine zusätzliche dielektrische Folie, insbesondere Kunststofffolie, und eine zusätzliche Metallfolie zur Abschirmung vor elektromagnetischer Strahlung auf dem Laminat angeordnet ist oder sind, vorzugsweise laminiert ist oder sind.
Eine zusätzliche elektrisch leitende Folie ist als Abschirmung nach EMV geeignet.
Erfindungsgemäße Laminate müssen nicht oder nicht stark gebogen werden, um einen federnden Kontakt, das heißt eine Blattfeder als Federelement bereitzustellen. Die aus einer Folie gestanzte Zunge für die Blattfeder wird sich ohnehin in der Ebene der Folie biegen.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Federelement auf zumindest zwei Seiten mit der ersten elektrisch leitenden Schicht mit vier federnden Stegen verbunden ist.
Durch diese Maßnahme wird ein etwas aufwendigerer Schalter bereitgestellt, der aber besonders einfach gedrückt werden kann, da sich der gesamte Mittelbereich absenkt und dabei parallel zur zweiten Metallschicht bewegt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch einen Schalter, insbesondere Mikroschalter, umfassend ein solches Laminat.
Dabei kann für einen erfindungsgemäßen Schalter vorgesehen sein, dass an dem Federelement ein Stößel angeordnet ist, mit dem ein manueller Druck auf das Federelement ausübbar ist.
Auch wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Laminatbahn umfassend eine Vielzahl von Laminatelementen aus einem solchen Laminat, wobei die Laminatelemente auf der Laminatbahn hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind, wobei die Laminatbahn vorzugsweise als Endlosrolle aufgewickelt ist.
Solche Laminatbahnen sind besonders einfach in der Massenherstellung verwendbar.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laminats, wobei die elektrisch leitenden Schichten auf die dielektrische Schicht laminiert werden, vorzugsweise geklebt werden und die Strukturen der elektrisch leitenden Schichten und der dielektrischen Schicht geprägt und/oder gestanzt werden.
Diese Verfahren sind besonders einfach zur Herstellung der Laminate, insbesondere in der Massenfertigung anwendbar.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zumindest eine elektrisch leitende Schicht bereichsweise im Bereich der Ausprägung gebogen wird, vorzugsweise beide elektrisch leitende Schichten bereichsweise gebogen werden, wobei bevorzugt der gebogene Bereich der ersten elektrisch leitenden Schicht das Federelement bildet und der gebogene Bereich oder die gebogenen Bereiche der zweiten elektrisch leitenden Schicht die Kontaktbereiche der zweiten elektrisch leitenden Schicht bilden.
Wenn alle Strukturen durch die Stanz-Laminierung bei gleichzeitigem oder anschließendem Biegen erzeugt werden, werden Arbeitsschritte gespart und damit das Herstellungsverfahren sicherer und kostengünstiger gestaltet.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich, wenn vorgesehen ist, dass die erste Metallfolie und zumindest eine zweite Folie bereichsweise parallel zueinander ausgerichtet werden, vorzugsweise über wenigstens jeweils zwei Walzen gefördert werden, wobei die Folien in einem parallel zueinander ausgerichteten Bereich stanz-laminiert werden und wobei die Folien bevorzugt mit einem Abstand von 1 mm bis 30 mm, besonders bevorzugt mit einem Abstand von 5 mm bis 15 mm, ganz besonders bevorzugt mit einem Abstand von 10 mm parallel zueinander ausgerichtet werden.
Diese parallele Ausrichtung bietet den Vorteil, dass die Stanz-Laminierung einfach und präzise erfolgen kann. Durch den dadurch möglichen einfachen Aufbau des Werkzeugs, lassen sich Kosten verringern.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Metallfolien beidseitig auf die dielektrische Folie stanz-laminiert werden, wobei die Stanz-Laminierung der Folien nacheinander und/oder paarweise beidseitig erfolgt.
Mit diesem Verfahren kann eine Sandwichstruktur aufgebaut werden, mit dem die innere dielektrische Schicht des erzeugten Laminats gut geschützt ist.
Gemäße einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Folien zumindest eine endlose Folie verwendet wird, vorzugsweise alle Folien als endlose Folien verarbeitet werden.
Dies bietet den Vorteil, dass ein kontinuierliches Prozessieren des Verfahrens möglich wird, die sich bei einem erfindungsgemäßen Verfahren besonders effizient umsetzen lässt.
Erfindungsgemäß wird vorliegend unter einer endlosen Folie selbstverständlich keine unendlich lange Folie verstanden, sondern eine Folie deren Länge sehr groß im Vergleich zu ihrer Breite ist. Man könnte also statt den Begriff „endlose Folie” zu wählen, erfindungsgemäß auch immer von einer „kontinuierlichen Folie” sprechen. Die Folien sind dazu meist auf drehbaren Rollen aufgewickelt und werden während des Verfahrens abgewickelt. Die Folienbahnen können erfindungsgemäß eine Länge von 1 bis 1000 Metern haben, könnten aber auch sogar noch länger sein. Dabei kann es darauf ankommen, dass die aufgewickelten Rollen der Folien noch in die Vorrichtung einsetzbar sind. Alternativ wäre es auch möglich, dass das Verfahren dem Herstellungsprozess für die Folien in der gleichen Fabrik nachgelagert ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Schichten beim Stanz-Laminieren in einem ersten Schritt an einem Teil ihrer Berührungsflächen aneinandergeheftet und in einem zweiten Schritt ganzflächig miteinander verklebt werden.
Der zweite Schritt erfolgt dann nicht mehr ganz Zeitgleich zum ersten Schritt beim Stanz-Laminieren. Die beiden Schritte überlappen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren aber üblicherweise.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Schichten thermisch miteinander verklebt werden.
Das thermische Verkleben der Schichten ist ein Mittel, das sich gut mit dem Stanz-Laminieren kombinieren lässt.
Erfindungsgemäße Verfahren können sich auch dadurch auszeichnen, dass eine gestanzte elektrisch leitende Folie (zum Beispiel aus Metall) auf ein isolierendes, gestanztes Trägerband laminiert wird. Das Stanzdesign des elektrischen Leiters kann dabei so gestaltet werden, dass nach einem Biegeprozess sich zwei Kontaktwinkel gegenüberstehen, zwischen denen sich anschließend eine bewegliche Kontaktfeder als Federelement befindet.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Kontaktwinkel nicht durch einen Biegeprozess erzeugt werden, sondern durch zwei metallische Folien erzeugt werden, die auf der gegenüberliegenden Seite der beweglichen Kontaktfeder auf der dielektrischen Schicht (Isolierfolie) laminiert werden.
Die Schaltfunktion erfolgt zwischen den beiden laminierten metallischen Folien. Die Blattfeder kann auch als Kurzschluss-Brücke zwischen zwei Kontaktbahnen des Gegenkontakts ausgelegt werden.
Es kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass statt einer Blattfeder eine gestanzte und geprägte Kurzschluss-Brücke mit Schnappeffekt verwendet wird.
Des Weiteren kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass eine selektive galvanische Beschichtung auf zumindest einer der elektrisch leitenden Schichten durchgeführt wird. Vorzugsweise wird zumindest eine Ni-Pd-Au-Schicht galvanisch aufgetragen.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass zur EMV-Abschirmung oder Impedanz-Anpassung für hochfrequente Anwendungen eine zusätzliche Kunststoff- und/oder Metallfolie laminiert wird.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, durch ein einfach aufgebautes Laminat einen praktisch fertigen Baustein für einen Schalter bereitzustellen oder sogar einen komplett fertigen Schalter nur durch ein Laminat aufzubauen. Dabei steht ein fertig montiertes Laminat zur Verfügung, wobei bei der späteren Verarbeitung keine Gefahr einer Beschädigung und/oder Verunreinigung mehr besteht, da keine Einzelteile, wie Fest- und Federkontakte, nicht mehr montiert werden müssen, wie dies in der Relais- oder Schalterproduktion üblich ist.
In einem Stanz-Laminier-Prozess können Metall- und Kunststoff-Folien zu einem Kontaktelement miteinander verbunden werden. Im gleichen Prozess-Schritt sind Präge- und Biegevorgänge zusätzlich möglich. Die Laminate sind besonders zum Schalten von hochfrequenten Strömen geeignet. Durch die erfindungsgemäßen Laminate ist die Realisierung eines Umschaltkontakts möglich, der bei herkömmlichen Folien-Tastern nicht möglich ist.
Durch eine Variation der Metall-Foliendicke kann die Wärmeabfuhr aus der Schaltzone bei Leistungsschaltungen angepasst werden und so eine Verbesserung bei der Elektroerosion erzielt werden.
Gleichzeitig wird ein vereinfachtes Herstellungsverfahren ermöglicht, wodurch die Kosten bei der Herstellung gesenkt werden können. Die Möglichkeit, ein Laminat als Ausgangsprodukt als Endlosrolle zur Verfügung zu stellen, bietet eine Vereinfachung beim Transport und der Verarbeitung des Zwischenprodukts in Form des erfindungsgemäßen Laminats. Rolle-zu-Rolle Endlosverfahren können ohne weiteres eingesetzt werden. Dies bietet vor allem bei der Massenproduktion erhebliche Vorteile. Durch die Maßnahmen kann der Einzelpreis für einen, aus einem solchen Laminat gefertigten Schalter deutlich reduziert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und des Stands der Technik anhand von vier schematisch dargestellten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Querschnittansicht eines Laminats nach dem Stand der Technik;
2: eine schematische Aufsicht auf ein zweites Laminat nach dem Stand der Technik;
3: eine schematische Ansicht einer ersten Metallschicht für ein erfindungsgemäßes Laminat; und
4: eine schematische Querschnittansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Laminats.
1 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines lediglich zur Erläuterung dienenden, aus dem Stand der Technik bekannten Laminats 1 mit einfachem Aufbau, das nicht von der Erfindung umfasst ist. Das Laminat 1 umfasst eine erste obere elektrisch leitende Schicht 2 (in 1 oben) aus einem federnden Metall, wie zum Beispiel Stahl, Edelstahl oder bevorzugt einer Kupfer-Nickel-Legierung, eine dielektrische Schicht 4, die beispielsweise aus einem Epoxid-Harz aufgebaut ist, wie auch ein erfindungsgemäßes Laminat. Zudem umfasst das Laminat 1 eine zweite untere elektrisch leitende Schicht 5, die beispielsweise aus Kupfer besteht. Die Cu-Ni-Legierung hat sehr gute elastische Eigenschaften bei gleichzeitig guter elektrischer Leitfähigkeit, wodurch sich das Material besonders gut für die erste elektrisch leitende Schicht 2 eines erfindungsgemäßen Laminats 1 eignet. Dies gilt auch für alle anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele, ist also erfindungsgemäß allgemeingültig.
In der dielektrischen Schicht 4 ist eine Ausnehmung 7 vorgesehen. Die Ausnehmung 7 kann eine eckige oder auch runde oder kreisrunde Form haben, kann aber auch durchgehend sein, das heißt, dass dann die dielektrische Schicht 4 in zwei Teile räumlich getrennt ist. Die erste elektrisch leitende Schicht 2 hat einen ersten Bereich, der auf der dielektrischen Schicht 4 aufliegt, und eine Blattfeder 3, die über die Ausnehmung 7 herausragt. Grundsätzlich reicht es aus, wenn die erste Schicht 2, die auf der dielektrischen Schicht 4 aufliegt, ausreichende elektrische Eigenschaften hat, während die Blattfeder 3 zusätzlich über geeignete elastische und mechanische Eigenschaften verfügen muss. Die erste Schicht 2 kann also aus zwei unterschiedlichen Metallen beziehungsweise elektrischen Leitern bestehen. Der erste Bereich muss lediglich gut elektrisch leitend sein, während die Blattfeder 3 zusätzlich eine ausreichende Elastizität haben muss.
Innerhalb der Ausnehmung 7 ist in die zweite elektrisch leitende Schicht 5 eine Kalotte 8 eingeprägt, die also in einem Bereich der zweiten elektrisch leitenden Schicht 5 angeordnet ist, der nicht von der dielektrischen Schicht 4 überdeckt ist. Die Kalotte 8 ist direkt unterhalb der Blattfeder 3 angeordnet und bildet den Gegenkontakt zur Blattfeder 3. Die beiden elektrisch leitenden Schichten 2, 5 sind durch die dielektrische Schicht 4 und die Beabstandung innerhalb der Ausnehmung 7 voneinander elektrisch isoliert. Wenn die Blattfeder 3 durch Einwirkung einer Kraft nach unten auf die Kalotte 8 gedrückt wird, wird ein elektrischer Kontakt hergestellt. Sobald die Kraft nicht mehr wirkt, kehrt die elastische Blattfeder 3 in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung zurück und der elektrische Kontakt ist wieder getrennt.
Das in 1 gezeigte Laminat 1 lässt sich somit bereits auch direkt als Schalter verwenden, stellt also einen erfindungsgemäßen Schalter in einfachster Form dar. Das gezeigte Laminat 1 liefert alternativ aber auch ein halbfertiges Ausgangsprodukt, das bereits den elastischen Kontakt in Form der Blattfeder 3 beinhaltet. Oben auf die Blattfeder 3 kann ein Stößel, beispielsweise in Form eines Kunststoffstifts, einer Taste oder eines Hütchens montiert werden, der beziehungsweise das auf der festen dielektrischen Schicht 4 und/oder auf dem ersten Bereich der ersten elektrisch leitenden Schicht 2, der durch die feste dielektrische Schicht 4 gestützt ist, befestigt und damit fest montiert ist. Der Stößel (nicht gezeigt) vereinfacht die Bedienbarkeit des Schalters, insbesondere dann, wenn das Laminat sehr klein ist. Beispielsweise kann das Laminat 1 zum Aufbau des Schalters 2,5 mm dick (hoch) und 15 mm lang und 10 mm breit sein, wobei 1 einen Längsschnitt zeigt.
Ein erfindungsgemäßes Laminat kann durch gängige Laminierungstechniken aufgebaut werden. Beispielsweise können die elektrisch leitenden Schichten und die dielektrische Schicht als Endlosrollen verarbeitet werden. Dazu werden die freien Bereiche der elektrisch leitenden Schichten insbesondere der ersten elektrisch leitenden Schicht ausgestanzt. Ebenso wird die Ausnehmung in der dielektrischen Schicht durch Austanzen erzeugt.
Die Kalotte 8 wird in die zweite elektrisch leitende Schicht 5 geprägt. Die Schichten 2, 4, 5 werden aufeinander gelegt und positioniert und mit Hilfe eines Klebstoffs und/oder durch Verpressen miteinander laminiert. Beim Prägen oder Stanzen der elektrisch leitenden Schichten 2, 5 oder separat dazu können Teile der elektrisch leitenden Schichten 2, 5 gebogen werden, um eine bestimmte Geometrie des Laminats 1 für den Schalter bereitzustellen oder die Federkraft der Blattfeder 3 einzustellen, um die Kraft zu definieren, die notwendig ist, um den Schalter zu schalten. Auch kann die Blattfeder nach Art eines Knackfroschs geformt sein, um einen Schnappschalter aufzubauen.
Das Laminat kann also aus Endlosrollen als Endlosrolle gefertigt werden. Die Endlosrollen können zur Fertigung der Schalter geliefert werden und dort beim Fertigungsprozess einfach abgerollt werden. Auf einer Endlosrolle können hunderte bis tausende Laminatstücke für Schalter aufgerollt sein. Diese können nicht nur hintereinander sondern auch nebeneinander auf der Laminatbahn angeordnet sein und müssen beim Fertigungsprozess voneinander getrennt werden. 1 zeigt also neben einem Laminat 1 auch eine erfindungsgemäße Laminatbahn als Ausschnitt.
Um einen langzeitstabilen Kontakt der beiden elektrisch leitenden Schichten 2, 5 zu gewährleisten, können zumindest die obere Oberfläche der Kalotte 7 und die auf die Kalotte 7 zuweisende untere Oberfläche der Blattfeder 3 mit einem Edelmetall, wie beispielsweise Gold oder einer Goldlegierung, beschichtet sein. Ebenso können aber auch beispielsweise die gesamte Blattfeder 3 und die gesamte obere Oberfläche der zweiten elektrisch leitenden Schicht 5 mit einer Edelmetallschicht beschichtet sein. Als Beschichtungsverfahren können neben Physical Vapor Deposition (PVD) und Chemical Vapor Deposition (CVD) bevorzugt galvanische Beschichtungsverfahren zum Einsatz kommen.
2 zeigt ein lediglich zur Erläuterung dienendes, aus dem Stand der Technik bekanntes Laminat 1 umfassend eine erste elektrisch leitende Schicht 2 mit einer Blattfeder 3, eine dielektrische Schicht 4 und eine zweite elektrisch leitende Schicht 5 in einer schematischen Aufsicht. Eine Ausnehmung 7 ist in der dielektrischen Schicht 4 angeordnet. Die Ausnehmung 7 hat eine rechteckige Form, so dass die dielektrische Schicht 4 einteilig ist.
Die Blattfeder 3, der ersten elektrisch leitende Schicht 2 ragt derart über die Ausnehmung 7, dass sie auf eine darunter angeordnete Kalotte 8 gedrückt beziehungsweise gebogen werden kann. Der in 1 gezeigte Schnitt kann beispielsweise durch ein Laminat 1 erfolgt sein, wie es in 2 gezeigt ist. Die Schnittebene geht durch die Mitte von rechts nach links bei dem in 2 gezeigten Laminat.
Das in 2 gezeigte Laminat ist bereits zurechtgeschnitten und zum Aufbau eines Schalters bereitgestellt.
3 zeigt in schematischer Aufsicht eine gestanzte und geprägte erste elektrisch leitende Folie 42 aus einem elektrisch leitenden Federwerkstoff, mit der ein weiteres erfindungsgemäßes Laminat für einen Schalter herstellbar ist. Die gezeigte Folie 42 liegt zur besseren Verarbeitung als abrollbare Endlosfolie vor, von der ein sich periodisch wiederholendes Element mit den Randbereichen 44 benachbarter Elemente gezeigt ist. Die Randbereiche 44 rechts und links gehören also hälftig zu den benachbarten Elementen der Laminatbahn. Die Elemente werden vorzugsweise erst bei der Herstellung von Schaltern voneinander getrennt.
Die Folie 42 umfasst also Randbereiche 44, mit denen die Metallfolie 42 auf einer stützenden dielektrischen Schicht aufgebracht, beispielsweise geklebt werden kann. Ein Mittelbereich 45, der bei einem derart gefertigten Schalter das Schaltelement darstellt, ist nur über vier federnde Stege 46 an zwei Seiten mit den Randbereichen 44 der ersten elektrisch leitenden Schicht 42 verbunden. Dazwischen ist die erste elektrisch leitende Schicht 42 mit Durchbrechungen 47 durchbrochen. Die Durchbrechungen 47 sind beispielsweise ausgestanzt worden. Das Federelement 45, 46 wird vorliegend also durch den Mittelbereich 45 und die federnden Stege 46 gebildet.
In der Mitte des Mittelbereichs 45 ist eine Kalotte 48 eingeprägt, mit der ein elektrischer Kontakt mit einer unter der ersten elektrisch leitenden Schicht 42 angeordneten zweiten elektrisch leitenden Schicht (nicht gezeigt) herstellbar ist.
Um ein erfindungsgemäßes Laminat herzustellen, muss die gezeigte elektrisch leitende Folie 42 nur auf eine dielektrische Schicht auflaminiert werden, die eine Ausnehmung für den Mittelbereich 45 und die federnden Stege 46 umfasst, so dass die Ausnehmung den Mittelbereich 45 und zumindest bereichsweise auch die federnden Stege 46 aufnehmen kann. Auf der anderen Seite der dielektrischen Schicht wird eine zweite elektrisch leitende Schicht angeordnet, wobei diese die Ausnehmung der dielektrischen Schicht zumindest im Bereich der Kalotte 48 bedeckt. Wenn die erste elektrisch leitende Schicht 42 durch die Ausnehmung auf die zweite elektrisch leitende Schicht gedrückt wird, wird ein elektrischer Kontakt geschlossen. Zur besseren Bedienbarkeit des Schalters kann auf dem Mittelbereich 45 ein Hüttchen angeordnet sein, das als leicht bedienbare Taste dient.
Die in 3 gezeigte erste elektrisch leitende Folie 42 stellt also ein Zwischenprodukt zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Laminats dar.
Die elastisch federnden Stege 46 und/oder der Mittelbereich 45 der ersten elektrisch leitenden Schicht können erfindungsgemäß nach Art eines „Knackfroschs” als Schnappschalter vorgespannt sein. Die dazu notwendige Verformung der ersten elektrisch leitenden Schicht 42 kann bei deren Herstellung bereits eingeprägt sein, oder gleichzeitig mit dem Aufkleben oder Auflaminieren der ersten elektrisch leitenden Schicht 42 auf die dielektrische Schicht erfolgen.
4 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Laminats 51. Eine erste elektrisch leitende Schicht 52 mit einem federnden Mitelbereich 53 ist auf einer dielektrischen Schicht 54 angeordnet. Der federnde Mittelbereich 53 ist über federnde Stege 56 mit dem Rest der ersten elektrisch leitenden Schicht 52 verbunden. Die erste elektrisch leitende Schicht 52 ähnelt also der ersten elektrisch leitenden Schicht 42 gemäß der Aufsicht nach 3.
In der dielektrischen Schicht 54 ist eine Ausnehmung 57 angeordnet, die den Mittelbereich 53 vollständig aufnehmen kann und die die federnden Stege 56 nicht in ihren Auslenkungen beim Federn behindert. Auf der Unterseite der dielektrischen Schicht 54 ist eine zweite elektrisch leitende Schicht 65, 66, 67 angeordnet, die zwei voneinander elektrisch getrennte Leiterbahnen 66, 67 umfasst. Zudem sind auch die Randbereiche 65 der zweiten elektrisch leitenden Schicht 65, 66, 67 von den Leiterbahnen 66, 67 elektrisch getrennt. Die zweite elektrisch leitende Schicht 65 kann also aus vier verschiedenen oder drei verschiedenen, elektrisch voneinander isolierten Leiterbahnen 65, 66, 67 bestehen.
Die Strukturen der zweiten elektrisch leitenden Schicht 65, 66, 67 werden von einer zweiten dielektrischen Schicht 68 getragen. Es könnte auch eine dritte elektrisch leitende Schicht 68 verwendet werden, sofern diese durch eine isolierende Schicht (nicht gezeigt) elektrisch von der zweiten elektrisch leitenden Schicht 65, 66, 67 isoliert ist. Eine solche dritte Schicht 68 könnte dann auch erfindungsgemäß zur Wärmeabfuhr verwendet werden.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schalters kann oben auf dem Mittelbereich 53 ein Hüttchen vorgesehen sein, das mit einer Gummi- oder Silikonabdeckung auf das Laminat 51 aufgesetzt ist.
Der Mittelbereich 53, der aus einem elastischen Material aufgebaut ist, ist derart gewellt ausgeformt, dass beim Eindrücken des Mittelbereichs 53 von oben, zunächst die beiden äußeren Bereiche 65 der zweiten elektrisch leitenden Schicht 65 mit der ersten elektrisch leitenden Schicht 52 und möglicherweise erfindungsgemäß auch untereinander (die äußeren Bereiche 65 könnten auch voneinander elektrisch isoliert sein) kurzgeschlossen werden.
Durch ein weiteres Eindrücken des Laminats 51 beziehungsweise des Mittelbereichs 53 wird aufgrund der federnden Eigenschaften des Federelements 53, 56 der Mittelbereich 53 weiter nach unten gedrückt und verbindet schließlich auch die beiden Leiterbahnen 66 und 67 miteinander und mit der ersten elektrisch leitenden Schicht 52.
Bei einer anderen gewellten Form des Mittelbereichs 53, als der in 7 gezeigten, und einer anderen Aufteilung der Leiterbahnen 66, 67 und der Randbereiche 65 der zweiten elektrisch leitenden Schicht 65 können auch praktisch beliebig viele andere Schaltsequenzen und Reihenfolgen bei der Schaltung für ein solches Laminat 51 beziehungsweise einen daraus gefertigten Schalter realisiert werden.
Ferner können die gezeigten Laminate 51 auch beliebig nebeneinander oder sogar übereinander angeordnet werden, um Mehrfachschalter, Tastaturen oder andere Schaltungen zu erzeugen. Zudem sind alle gezeigten Laminate 51 dazu geeignet aktive und passive elektronische Bauteile, wie zum Beispiel SMD-Widerstände, Kondensatoren und LEDs zu integrieren.
Bezugszeichenliste

1, 51: Laminat
2, 42, 52: Erste elektrisch leitende Schicht
3, 53: Federelement/Blattfeder
4, 54: Dielektrische Schicht
5, 65: Zweite elektrisch leitende Schicht
7, 57: Ausnehmung
8, 48: Kalotte
44: Randbereich
45, 53: Mittelbereich
46, 56: Steg
47: Durchbrechung
66, 67: Leiterbahn
68: Zweite dielektrische Schicht

Claims

Laminat zur Herstellung zumindest eines Schalters aufweisend eine dielektrische Schicht (54) und zumindest eine erste und eine zweite voneinander elektrisch isolierte elektrisch leitende Schichten (42, 52, 65) wobei in der dielektrischen Schicht (54) zumindest eine Ausnehmung (57) angeordnet ist, sich zumindest die erste elektrisch leitende Schicht (42, 52) in den Bereich der Ausnehmung (57) erstreckt und dort ein Federelement (45, 46, 53) bildet, so dass die erste elektrisch leitende Schicht (42, 52) durch eine Krafteinwirkung auf das Federelement (45, 46, 53) mit der zweiten elektrisch leitenden Schicht (65) elektrisch kontaktierbar ist, wobei die elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) parallel zueinander angeordnet sind, wobei die dielektrische Schicht (54) außer in der Ausnehmung (57) zwischen den elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) angeordnet ist und die elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) elektrisch voneinander isoliert, wobei das Federelement (45, 46, 53, 56) der ersten elektrisch leitenden Schicht (42, 52) elastisch in Richtung der zweiten elektrisch leitenden Schicht (65) biegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wobei das Federelement (45, 46, 53, 56) auf zumindest zwei Seiten mit der ersten elektrisch leitenden Schicht (42, 52) mit zumindest zwei federnden Stegen (46, 56) verbunden ist und der Kontaktbereich des Federelements (45, 46, 53, 56) im Bereich der Mitte des Federelements (45, 46, 53, 56) angeordnet ist.
Laminat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (45, 46, 53) oder die erste elektrisch leitende Schicht (42, 52) umfassend das Federelement (45, 46, 53) aus einer elastischen elektrisch leitenden Legierung gefertigt ist.
Laminat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat (51) mit einer Stanz-Laminier-Technik hergestellt ist, wobei die elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) auf die dielektrische Schicht (54) geklebt, geschmolzen, geschweißt, verpresst oder gelötet sind.
Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) zwischen 20 μm und 500 μm dick sind.
Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (53) als Blattfeder geformt ist.
Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (45, 46, 53, 56) auf zumindest zwei Seiten mit der ersten elektrisch leitenden Schicht (42, 52) mit vier federnden Stegen (46, 56) verbunden ist.
Laminat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (45, 46, 53) eine gekrümmte Form mit unterschiedlichen Abständen zur zweiten elektrisch leitenden Schicht (65) aufweist und die zweite elektrisch leitende Schicht (65) zumindest zwei elektrisch voneinander isolierte Leiterbahnen (65, 66, 67) umfasst, so dass bei einem Herunterdrücken des Federelements (45, 46, 53) zuerst eine erste Leiterbahn (65) und dann die anderen Leiterbahnen (66, 67) durch das Federelement (45, 46, 53) kontaktierbar sind.
Schalter aufweisend ein Laminat (51) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Laminatbahn aufweisend eine Vielzahl von Laminatelementen aus einem Laminat (51) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminatelemente auf der Laminatbahn hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Laminats nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitenden Schichten (42, 52, 65) auf die dielektrische Schicht (54) laminiert werden und die Strukturen der elektrisch leitenden Schichten (52, 65) und der dielektrischen Schicht (54) geprägt und/oder gestanzt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine elektrisch leitende Schicht (42, 52, 65) bereichsweise im Bereich der Ausprägung (57) gebogen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der gebogene Bereich der ersten elektrisch leitenden Schicht (42, 52) das Federelement bildet und der gebogene Bereich oder die gebogenen Bereiche der zweiten elektrisch leitenden Schicht (65) die Kontaktbereiche der zweiten elektrisch leitenden Schicht (65) bilden.