DE102013015088A1

DE102013015088A1 - Elektrisches Kontaktelement für einen mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013015088A1
Application number: DE201310015088
Authority: DE
Inventors: Gerhard Sedlmayr
Original assignee: G RAU GmbH and Co KG
Current assignee: G RAU GmbH and Co KG
Priority date: 2013-09-14
Filing date: 2013-09-14
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement (2) für einen mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt, das aus einem drahtabschnittsförmigen Faserverbundwerkstoff (8) gebildet ist, bei dem in ein elektrisch leitendes Matrixmaterial (5) viele dünne, elektrisch leitende Fasern (6) eingebettet sind, die in dem Matrixmaterial (5) im Wesentlichen parallel und in Längsrichtung des Drahtabschnitts angeordnet sind. Der elektrische Kontakt wird durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Enden (7) der vielen Fasern (6) an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2), die an der Stirnseite des Drahtabschnitts angeordnet ist, und einem flächigen Gegenstück oder Gegenkontakt (3) hergestellt. Es wird vorgeschlagen, dass die Fasern (6) elastisch verformbar sind und die Enden (7) der Fasern (6) an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2) aus dem Matrixmaterial (5) herausragen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fasern (6) aus einem superelastischen Werkstoff.

Description

Die Erfindung betriff ein elektrisches Kontaktelement für einen mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ein elektrisches Kontaktelement ist ein elektrisch leitendes Teil in einem Bauelement eines elektrischen Schaltkontakts, beispielsweise in einem Schalter oder Relais, mit dem über ein Gegenstück oder einen Gegenkontakt eine elektrische Verbindung, d. h. ein elektrischer Kontakt erzielt wird. Beim Schließen des mechanisch schaltbaren, d. h. mechanisch betätig- oder auslösbaren, elektrischen Schaltkontakts werden das Kontaktelement und das Gegenstück bzw. der Gegenkontakt zusammengeführt, sodass das Kontaktelement das Gegenstück bzw. den Gegenkontakt an Kontaktstellen mechanisch berührt und elektrisch kontaktiert.
Typische Vertreter derartiger Kontaktelemente sind Kontaktnieten. Sie bestehen nach dem Stand der Technik aus Edelmetall, Unedelmetall, Legierungen oder Verbundwerkstoffen und können massiv oder plattiert sein. Die häufigsten Einsatzgebiete sind im Fahrzeugbereich sowie in der Elektronik, Elektrotechnik und Medizintechnik.
Bevorzugte Anwendungsbereiche derartiger Kontaktelemente, auf die sich die Erfindung richtet, sind elektrische Schalter oder Relais zum Schalten niedriger Signalspannungen und/oder niedriger Signalströme, insbesondere in sogenannten Dry-Circuit-Schaltkreisen. Darunter versteht man trockenschaltende Kontakte bzw. Relais-Schaltkreise, die ohne Last schalten, d. h. bei denen im geöffneten Stromkreis die Spannungen sehr klein sind und im geschlossenen Stromkreis die Ströme sehr klein sind (typischerweise im mA- oder μA-Bereich), sodass keine merkliche Funken- oder (Licht-)Bogenbildung Funkenbildung auftritt, durch die die Kontaktelemente aufgeraut oder abgereinigt werden.
Bei Dry-Circuit-Schaltkontakten besteht das praktische Problem, dass sich im Laufe der Zeit Verunreinigungen aus der Luft auf den Schaltkontakten ablagern. Bei normalen Schaltkontakten ist das kein Problem, weil das Spannungspotential eines Kontakts typischerweise hoch genug ist, um beim Schalten einen kleinen Lichtbogen zu erzeugen, der die Ablagerung abspaltet. In einem Dry-Circuit-Schaltkreis ist das Spannungspotential nicht hoch genug, um die Bildung von Ablagerungen zu vermeiden bzw. die Ablagerungen zu fritten.
Im Stand der Technik werden daher elektromechanische Reed-Relais verwendet, die hermetisch in ein Glas eingeschlossen sind, das mit einem Edelgas gefüllt ist. Dies verhindert, dass Verunreinigungen die Umgebung des Relaisschaltkontakts verschmutzen und sich auf den Schaltkontakten ablagern. Elektromechanische Reed-Relais können jedoch durch erhöhte thermisch-elektromagnetische Effekte eine Offsetspannung verursachen. Eine andere Lösung nach dem Stand der Technik ist die Verwendung eines FET, der keine beweglichen Teile hat und daher von diesem Problem nicht betroffen ist. Ein FET kann jedoch einen Leckstrom und einen höheren elektrischen Widerstand verursachen.
Für Anwendungen von Schaltkontakten, in denen sich die Funktion des Schaltkontakts nicht auf das Schalten eines Stromkreises beschränkt, sondern der Schaltkontakt auch noch eine Geber- oder Sensorfunktion ausübt, sind Reed-Relais oder FETs ungeeignet. Dies trifft u. a. auf Schaltkontakte zu, die mittels geringer Druckänderungen angesteuert bzw. ausgelöst oder betätigt werden sollen, d. h. bei denen eine geringe Druckänderung den Schaltkontakt schließt oder öffnet. Ein Beispiel derartiger Schaltkontakte sind (Membran-)Druckschalter in Gasthermen oder Druckwellenschalter in Personenschutzeinrichtungen, beispielsweise zum Überwachen des Schließvorgangs von Fahrzeugtüren.
Das Schalten niedriger Signalspannungen und kleiner Schaltströme erfolgt üblicherweise mittels Kontaktelementen mit Kontaktwerkstoffen auf Edelmetallbasis (Pt-, Au-, Ag-Legierungen), da diese beständig sind bzw. wesentlich reaktionsträger auf atmosphärische Einflüsse (O₂, H₂S, SO₂, NO_x, Cl₂, usw.) reagieren als die Nichtedelmetalle und daher nur in sehr geringem Umfang zu einer atmosphärisch bedingten Deckschichtbildung neigen. Bei gekapselten Schaltkontakten können allerdings aus Kunststoffen, Lackdrähten, Dichtungen, Vergussmassen usw. flüchtige Bestandteile entweichen und einen isolierenden Belag auch auf der Edelmetalloberfläche der Kontakte ausbilden. Bei teilgekapselten oder ungekapselten Schaltkontakten können zudem Stäube eindringen bzw. kann eine Partikelkontamination der Kontaktoberfläche durch funktionellen Abrieb die Kontaktoberfläche eines Kontaktelements verunreinigen.
Um Kontaktsysteme gegen derartige, oft unvermeidliche Kontaminationen durch Deckschichten unempfindlicher zu machen, wird oft versucht, die mechanische Kontaktkraft zwischen dem Kontaktelement und dem Gegenstück oder Gegenkontakt möglichst hoch zu gestalten, um durch den erhöhten Kontaktdruck die Kontaktsicherheit und Kontaktzuverlässigkeit zu verbessern.
Eine weitere Möglichkeit zum Erhöhen der Kontaktsicherheit besteht in einer konstruktiv erzwungenen Relativbewegung zwischen dem Kontaktelement und seinem Gegenstück oder Gegenkontakt (z. B. etwa in der Ebene der Kontaktoberfläche) während des Schließ- oder Öffnungsprozesses (z. B. beim Schalten des Schaltkontaktes). Durch eine konstruktiv herbeigeführte Relativbewegung zwischen den Kontaktpunkten kann ein Reinigungseffekt bewirkt werden. Dadurch können Deckschichten durchrieben und Partikel beiseite geschoben und somit ein Reinigungseffekt erzielt werden. Hierfür bestehen jedoch bei miniaturisierten Baugruppen infolge konstruktiver Gegebenheiten oft enge Grenzen.
Bei ebenen Kontaktelementen kann bereits ein einzelnes nicht leitfähiges Partikel eine vollständige Stromunterbrechung herbeiführen. Durch die Verwendung mehrerer, zeitgleich im Eingriff befindlicher Kontaktpunkte kann die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert und die Kontaktsicherheit statistisch erhöht werden. Aus diesem Grund werden in der Relais- und Schütztechnik häufig Parallelanordnungen aus Doppel- und Mehrfach-Kontakten bis hin zu Vieldrahtschleifern eingesetzt. Einer Vielstellen-Kontaktanordnung sind jedoch aus Kostengründen und insbesondere bei zunehmender Miniaturisierung auch fertigungstechnisch bedingte Grenzen gesetzt. Daher werden mit fortschreitender Miniaturisierung überwiegend Einzelkontaktierungen angewendet, mit dem Nachteil, dass sie auf Verschmutzungen empfindlich reagieren.
Stehen nur geringe Kräfte zum mechanischen Schließen eines elektrischen Kontaktes zur Verfügung, sinkt insgesamt die Zuverlässigkeit des Schaltkontaktes. Dies ist u. a. insbesondere bei Schaltkontakten praktisch bedeutsam, die mittels geringer Druckänderungen betätigt werden sollen. Derartige Schaltkontakte, z. B. (Membran-)Druckschalter in Gasthermen ober Druckwellenschalter in Personenschutzeinrichtungen, beispielsweise zum Überwachen des Schließvorgangs von Fahrzeugtüren, haben jedoch häufig eine sicherheitsrelevante Funktion, die gerade eine hohe Schaltzuverlässigkeit erfordert.
Bei Membranschaltern tritt häufig die Problematik auf, dass die in der Regel aus Silikonverbindungen bestehenden Membranen über Segregation, Diffusion oder auch die Gasphase siliziumorganische Bestandteile abgeben. Diese siliziumorganischen Verbindungen bedecken in Monolagen die Kontaktoberfläche des Kontaktelements. Im letzten Öffnungsmoment des Schaltkontakts reduziert sich der stromtragende Querschnitt gegen Null, was auch bei kleinen Strömen zu einer hohen Stromdichte im Moment des Schaltens und damit zur Plasmabildung führen kann. Durch derartige Mikroplasmen können im Schaltpunkt siliziumorganische Ablagerungen zu stabilem SiO₂ gecrackt werden. Jeder Schaltvorgang führt hierbei zu einem Anwachsen der Schichtdicke der Ablagerung, bis es unausweichlich zur elektrischen Isolation und damit zum Ausfall des Schaltkontaktes kommt.
Bei Dry-Circuit-Schaltkontakten in Membranschaltern ist somit nicht nur das Spannungspotential nicht hoch genug, um durch einen kleinen Lichtbogen Ablagerungen auf der Kontaktfläche zu fritten, sondern es müssen sogar Mikroplasmen möglichst vermieden werden, um das Cracken von siliziumorganischen Verbindungen zu stabilem SiO₂ zu vermeiden. Im Ergebnis sind somit Dry-Circuit-Schaltkontakte in Membranschaltern besonders ausfallgefährdet. Hinzu kommt, dass bei Druckschaltern, Druckwellenschaltern oder Membranschaltern die zum Schließen oder Öffnen des Schaltkontakts zur Verfügung stehende mechanische Kraft oft sehr gering ist, was die Kontaktsicherheit ebenfalls verringert.
Besonders kritisch ist diese Problematik bei sicherheitsrelevanten Schaltkontakten, beispielsweise bei (Membran-)Druckschaltern in Gasthermen ober Druckwellenschaltern in Personenschutzeinrichtungen, die häufig als Membranschalter ausgebildet sind, wobei die zu messenden Drücke, Druckschwellen oder Druckschwankungen über eine Membran einen Schaltkontakt betätigen. Die Membranbauweise hat zur Folge, dass solche Schaltkontakte oder Schaltsysteme mit ihren Schaltkontakten in kurzen Wartungsintervallen ausgetauscht werden müssen, um einem möglichen Ausfall vorzukommen. Der regelmäßige Austausch erfordert einen erheblichen Aufwand, sodass ein Interesse daran besteht, zuverlässigere Schaltkontakte einzusetzen, die verlängerte Wartungszyklen erlauben.
Zur Lösung dieses Problems werden im Stand der Technik Kontaktelemente für mechanisch schaltbare elektrische Schaltkontakte, insbesondere für Dry-Circuit-Schaltkontakte, als Multielementkontakte ausgebildet. Diese bestehen aus einem Abschnitt eines drahtförmigen Faserverbundwerkstoffs, bei dem in ein elektrisch leitendes Matrixmaterial viele dünne, elektrisch leitende Fasern eingebettet sind, die in dem Matrixmaterial im Wesentlichen parallel und in Längsrichtung des Drahtabschnitts angeordnet sind. Der elektrische Kontakt wird dabei durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Enden der vielen Fasern an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements, die an der Stirnseite des Drahtabschnitts angeordnet ist, und einem flächigen Gegenstück oder Gegenkontakt hergestellt, sowie einem mechanischen Kontakt zwischen der Matrixmaterial an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements und dem flächigen Gegenstück oder Gegenkontakt. Dadurch, dass viele Elemente den elektrischen Kontakt herstellen, nämlich die Enden der vielen Fasern an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements und die Kontaktoberfläche des Kontaktelements, resultiert ein Vielfachkontakt zwischen dem Kontaktelement und dem Gegenstück bzw. Gegenkontakt, wodurch die Ausfallsicherheit erhöht wird.
Derartige Kontaktelemente für mechanisch schaltbare elektrische Schaltkontakte in der Ausführungsform als Multielementkontakte mit Faserverbundstoffen sind beispielweise aus der DE 25 08 490 A1 , DE 28 13 087 A1 und DE 33 35 274 C2 bekannt. Diese Kontaktelemente verbessern zwar durch die Vielfachkontaktierung die Ausfallsicherheit, sind aber nach wie vor empfindlich gegen Partikel und Ablagerungen und insbesondere bei Dry-Circuit-Schaltkontakten in Membranschaltern gegen Ablagerungen aus siliziumorganischen Verbindungen und deren Cracken zu stabilem SiO₂.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kontaktelement zu schaffen, das auch bei geringem mechanischen Kontaktdruck eine sichere Kontaktierung gewährleistet und unempfindlich gegen Ablagerungen, Abscheidungen, Kontaminierungen, Partikelverunreinigungen usw. ist, insbesondere bei Dry-Circuit-Schaltkontakten und/oder bei Membranschaltern. Ferner soll das Kontaktelement in hoher und fortschreitender Miniaturisierung sowohl zuverlässig sein als auch einfach montiert werden können. Ferner richtet sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines solchen Kontaktelements.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kontaktelement mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Verfahrensanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den nebengeordneten und abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Ein erfindungsgemäßes elektrisches Kontaktelement für einen mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt, das aus einem drahtabschnittsförmigen Faserverbundwerkstoff gebildet ist, bei dem in ein elektrisch leitendes Matrixmaterial viele dünne, elektrisch leitende Fasern eingebettet sind, die in dem Matrixmaterial im Wesentlichen parallel und in Längsrichtung des Drahtabschnitts angeordnet sind, wobei der elektrische Kontakt durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Enden der vielen Fasern an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements, die an der Stirnseite des Drahtabschnitts angeordnet ist, und einem flächigen Gegenstück oder Gegenkontakt herstellbar ist, weist die Besonderheit auf, dass die Fasern elastisch verformbar sind und die Enden der Fasern an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements aus dem Matrixmaterial herausragen.
Erfindungsgemäß bestehen die Fasern, die auch als Filamente bezeichnet werden können, aus einem elastisch verformbaren, elektrisch leitenden Werkstoff und die Enden der Fasern ragen an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements aus dem Matrixmaterial heraus. Dadurch, dass die Faserenden aus dem Matrixmaterial hervorstehen, wird ein Kontaktelement gebildet, das als ”Bürstenkontakt” bezeichnet werden kann. Dabei bildet der Verbundwerkstoff aus Matrixmaterial und den darin eingelagerten Fasern den Grundkörper der Bürste und die aus dem Matrixmaterial hervorstehenden Enden der Fasern bilden den Bürstenbesatz der Bürste.
Die vielen hervorstehenden Faserenden stehen für eine Vielfachkontaktierung mit einem Gegenstück oder einem Gegenkontakt zur Verfügung. Da bereits bei der Verwendung eines Doppelkontaktes die Kontaktzuverlässigkeit um einen Faktor zwischen 10 und 1000, je nach Art und Form der Verunreinigung des Kontaktes, verbessert ist, ergibt sich bei einer Verwendung vieler Fasern eine immense Verbesserung der Kontaktzuverlässigkeit. Der Vielstellenkontakt bzw. die Vielstellenkontaktierung zwischen den Faserenden und dem Gegenstück bzw. Gegenkontakt des Kontaktelements sorgt dafür, dass auf dem Gegenstück bzw. Gegenkontakt oder auf der Kontaktoberfläche des Kontaktelements abgelagerte Fremdpartikel statistisch unwirksam gemacht werden bzw. sich die Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Kontaktelement beim Schließen des Kontaktes einen kontaminationsfreien Oberflächenbereich des Gegenstücks bzw. Gegenkontakts elektrisch kontaktiert, sehr erhöht.
Durch das Aufteilen der mechanischen Kontaktkraft auf viele Kontaktpunkte reduziert sich zwar die Kontaktkraft pro Berührungsstelle zwischen einem Faserende und dem Gegenstück oder Gegenkontakt, bei einem geringen Faserdurchmesser, d. h. bei dünnen Fasern, liegt trotzdem eine ausreichend hohe spezifische Flächenpressung, d. h. ein auseichend hoher spezifischer Kontaktdruck, vor, damit das Faserende eine organische Belegung des Gegenstücks oder Gegenkontakts durchdrücken kann.
Sowohl durch eine hohe spezifische Flächenpressung in den Kontaktpunkten, d. h. den Faserenden, als auch durch die hohe Anzahl von Kontaktpunkten ergibt sich ein niedriger Übergangswiderstand bereits bei geringer Kontaktkraft.
Dadurch, dass im Kontaktzeitpunkt mehrere Fasern nahezu gleichzeitig den Kontakt herstellen, wird der zu schaltende Strom so aufgeteilt, dass die Stromdichte nicht mehr ausreicht, um am Fußpunkt der Kontaktstelle ein Mikroplasma oder einen Lichtbogen zu erzeugen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Membranschaltern, um das Cracken abgelagerter siliziumorganischer Verbindungen zu stabilem SiO₂ zu vermeiden.
Ferner ermöglicht oder verbessert die Erfindung die Selbstreinigung des Schaltkontaktes. Die Faserenden können sich aufgrund ihrer Elastizität beim Schließen und Öffnen des Kontaktes auf dem Gegenstück oder Gegenkontakt relativ weit bewegen, und zwar wesentlich weiter als ein massives, starres Kontaktelement. Diese große Relativbewegung der Faserenden auf dem Gegenstück oder Gegenkontakt kann genutzt werden, um eine Deckschicht darauf durchzureiben oder ein darauf abgelagertes Partikel beiseite zu drücken. Dadurch ist ein elektrischer Kontakt mit einem erfindungsgemäßen Kontaktelement unempfindlicher gegen Verschmutzungen.
Die Erfindung hat somit viele Vorteile und schafft die Voraussetzungen für eine sichere Kontaktierung. Ein erfindungsgemäßes Kontaktelement gewährleistet auch bei geringem mechanischen Kontaktdruck eine sichere Kontaktierung und ist unempfindlich gegen Ablagerungen, Abscheidungen, Kontaminierungen, Partikelverunreinigungen usw., insbesondere bei Dry-Circuit-Schaltkontakten und/oder bei Membranschaltern. Ferner ist das Kontaktelement in hoher und fortschreitender Miniaturisierung zuverlässig und kann auch einfach montiert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Kontaktelement können die aus dem Matrixmaterial herausragenden Faserenden prinzipiell auf jede geeignete Weise gefertigt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements aus dem Matrixmaterial herausragenden Enden der Fasern mittels einer selektiven Ablösung des die Faserenden umgebenden Matrixmaterials aus dem Faserverbundwerkstoff freigelegt sind. Die Vorgehensweise, den Faserverbundwerkstoff zunächst als massives Teil mit darin eingebetteten Fasern herzustellen und einen massiven Abschnitt davon auf einen Träger für das Kontaktelement aufzubringen, beispielsweise durch Aufschweißen auf einen Träger oder durch Einstemmen in eine Ausnehmung in einem Träger, beispielsweise das stirnseitige Ende einer Kontaktschraube, und erst anschließend in einem selektiven Durchlaufbeizprozess die Faserenden freizulegen, ermöglicht eine Prozessvereinfachung und weiter signifikante Miniaturisierung von Kontaktelementen und damit ausgerüsteter Schaltkontakte.
Das Ablösen des die Faserenden umgebenden Matrixmaterials aus dem Faserverbundwerkstoff kann bevorzugt durch selektives Ätzen (Beizen), insbesondere Tiefätzen, oder ein elektrochemisches Abtragen des Matrixmaterials durchgeführt werden.
Eine Aufteilung der Kontaktkraft auf viele Kontaktpunkte und ein geringer Durchmesser der Fasern tragen zu einer verringerten Kontaktkraft pro Berührungsstelle bei. Um die spezifische Flächenpressung in den Kontaktpunkten weiter zu erhöhen, beispielsweise damit organische Belegungen auf dem Gegenstück oder Gegenkontakt von den Fasern durchgedrückt werden, kann es vorteilhaft sein, wenn die aus dem Matrixmaterial herausragenden Faserenden sich zu ihrem Ende hin verjüngend ausgebildet sind. Die Verjüngung kann beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als konische Verjüngung oder Zuspitzung. Durch eine Verjüngung kann auch das Ausmaß der Relativbewegung der Fasern auf dem Gegenstück oder Gegenkontakt erhöht werden, insbesondere bei sehr kleinen Kontaktkräften, was günstig für die Selbstreinigungseigenschaft des Kontakts ist. Eine solche Verjüngung der herausragenden Faserenden zu ihrer Spitze hin kann beispielsweise mittels eines selektiven Beizprozesses oder eines elektrochemischen Abtragverfahrens realisiert werden.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird vorgeschlagen, dass die aus dem Matrixmaterial herausragenden Faserenden schräg zur Kontaktoberfläche des Kontaktelements verlaufend ausgebildet sind. Die aus dem Matrixmaterial herausragenden Faserenden sind in der Regel herstellungsbedingt senkrecht zur Kontaktfläche ausgerichtet. Gemäß diesem vorteilhaften Merkmal werden sie beispielsweise gekrümmt oder geknickt ausgebildet. Dies verringert die Knicksteifigkeit der Faserenden und sorgt für ein weiches, sanftes, schonendes Kontaktverhalten und einen reduzierten Verschleiß im Kontaktpunkt.
Um einen besonders niedrigen Übergangswiderstand zwischen den herausragenden Faserenden und dem Gegenstück oder Gegenkontakt zu erzielen oder um das Ausbilden zusammenhängender, mechanisch stabiler Deckschichten (z. B. durch Oxidation) zu vermeiden, können die aus dem Matrixmaterial herausragenden Faserenden, wie auch das Gegenstück bzw. der Gegenkontakt, mit Edelmetall beschichtet sein, beispielsweise durch eine gebräuchliche Silber- oder Hartgoldschicht. Eine Beschichtung der Fasern mit Edelmetall führt zu einer weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit des elektrischen Kontakts. Das Beschichten der Fasern kann z. B. galvanisch erfolgen. Ebenso geeignet sind auch Sputterprozesse. Eine Beschichtung der Fasern mit Edelmetall kann bereits auf sie aufgebracht werden, bevor sie in das Matrixmaterial eingebettet werden. Hierbei ist gegebenenfalls das Aufbringen einer Diffusionssperrschicht zwischen der Faser und dem Edelmetall zweckmäßig.
Die Dicke und Anzahl der Fasern kann so gewählt werden, dass diese in möglichst großer Zahl das Gegenstück bzw. den Gegenkontakt berühren und durch die mechanische Kontaktkraft im elastischen Bereich so durchgebogen werden, dass beim Schließen und/oder Öffnen des Kontakts eine möglichst hohe Relativbewegung zum Gegenstück bzw. Gegenkontakt entsteht.
Typische oder bevorzugte Parameter eines erfindungsgemäßen Kontaktelements sind folgende. Der Durchmesser des Drahtabschnitts beträgt zwischen 0,2 mm und 15 mm, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm. Der Durchmesser der Fasern beträgt zwischen 1 μm und 1 mm, bevorzugt zwischen 2 μm und 500 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 μm und 100 μm. Die Anzahl der Fasern beträgt zwischen 5 und 3.000, bevorzugt zwischen 15 und 1.000, besonders bevorzugt zwischen 25 und 500. Die Länge, mit der die Enden der Fasern an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements aus dem Matrixmaterial herausragen, beträgt zwischen 0,01 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,02 mm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 mm und 2 mm.
In vorteilhaften Ausführungsformen ist das Matrixmaterial, in das die Fasern eingebettet sind, aus Kupfer, Nickel, Silber, Gold oder einer Legierung mit einem oder mehreren dieser Stoffe gebildet. Bevorzugt wird als Matrixmaterial preiswertes Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet. Wenn das Kontaktelement für höhere elektrische Schaltleistungen, beispielsweise im Bereiche von mehreren Watt, mit einer Ausfallsicherung ausgelegt sein soll, wird eher Silber oder eine Silberlegierung als Matrixwerkstoff gewählt werden. Wenn eine hohe Strombelastung auftritt, werden die über das Matrixmaterial hervorstehenden Fasern durch Abbrand entfernt, wogegen das verbleibende Kontaktvolumen des Verbundwerkstoffs uneingeschränkt weiter als elektrischer Kontaktwerkstoff zum Schließen des elektrischen Kontakts auch während oder nach einer hohen Strombelastung bestehen bleibt.
Dieses Abbrennen der Faserenden bei hoher elektrischer Belastung kann auch gezielt eingesetzt werden, um ein Kontaktelement für unterschiedliche Anwendungen auszulegen, nämlich einerseits für Belastungen unterhalb und andererseits für Belastungen oberhalb der kritischen Belastungsgrenze, die zu einem Abbrennen der Faserenden führt. Entsprechend der vorgesehenen Erst- wie Zweit-Anwendung können der volumenmäßige Faseranteil, der Faserdurchmesser wie auch die geometrische Anordnung und die Anzahl der Fasern in nahezu beliebiger Weise der Schaltaufgabe angepasst werden.
Die Fasern können auf verschiedenste Weise ausbildet sein. Eine vorteilhafte Ausführungsform sind massive Fasern. Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sind Rohre. Ebenso ist es möglich, die Fasern rohrförmig mit einem eingelagerten Kern auszubilden, wobei der Rohrmantel und der Kern aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, beispielsweise der Kern aus einem Edelmetall und der Rohrmantel aus einem der unten genannten Fasermaterialien. Im Bereich der aus dem Matrixmaterial herausstehenden Faserenden kann dann gegebenenfalls der Kern durch selektives Abtragen des Rohrmantels, z. B. Ätzen, freigelegt werden.
Die Fasern können in vorteilhaften Ausführungsformen aus Nickel, Silber, Gold, Platin, Palladium, Stahl, Edelstahl, Kobalt, Molybdän, Niob, Tantal, Titan oder einer Legierung mit einem oder mehreren dieser Stoffe gebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fasern aus einem superelastischen Werkstoff gebildet. Ein im Rahmen der Erfindung bevorzugter superelastischer Werkstoff ist Nitinol (NiTi). Andere in Frage kommende superelastische Werkstoffe sind NiTiCu, NiTiCr und Beta-Titan.
Fasern aus üblichen, nicht superelastischen metallischen Werkstoffen weisen ein linearelastisches Verhalten auf. Hierbei ist nur eine geringe Dehnung möglich, bis die elastische Dehngrenze überschritten wird. Fasern aus den üblichen, nicht superelastischen Metallen werden bereits bei Dehnungen weit unter 1% plastisch verformt. Vergleicht man beispielsweise das Verhalten von Stahl als typischem Beispiel eines üblichen, nicht superelastischen, sondern linearelastischen metallischen Werkstoffs und von Nitinol in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm, erkennt man, dass bei linearelastischen Werkstoffen die Kraft mit zunehmender Dehnung entlang der ”Hookeschen Gerade” ansteigt und dann bereits bei einer Dehnung unter 1% plastische Verformung erfolgt, bevor bei weiterer Dehnung der Bruch eintritt. Dagegen folgt bei superelastischem Nitinol auf einem weit niedrigeren Kraftniveau, d. h. bei niedrigerer mechanischer Spannung, ein elastisches Plateau ohne weiteren Kraftanstieg bis zu einer Dehnung von 5%. Wird das Nitinol aus dem Plateau heraus entlastet, bildet sich die Verformung wieder vollständig zurück. Aber auch oberhalb von 5% Dehnung ergeben sich bei Nitinol nur geringe Anteile plastischer Verformung, erst weit darüber setzt plastisches Fließen mit weiterer Verfestigung, vergleichbar mit Stahl, ein.
Diese Eigenschaft von Nitinol wird als Superelastizität oder auch pseudoelastisches Verhalten bezeichnet. Die Superelastizität ist allgemein bei Formgedächtnislegierungen bekannt. Bei diesen kann zusätzlich zur gewöhnlichen elastischen Verformung eine durch äußere Krafteinwirkung verursachte reversible Formänderung beobachtet werden. Diese ”elastische” Verformung kann die Elastizität konventioneller Metalle bis zum zwanzigfachen übertreffen. Die Ursache dieses Verhaltens ist jedoch nicht die Bindungskraft der Atome, sondern eine Phasenumwandlung innerhalb des Werkstoffes. Der Werkstoff muss hierzu in der Hochtemperaturphase mit austenitischem Gefüge vorliegen. Unter äußeren mechanischen Spannungen bildet sich der kubisch-flächenzentrierte Austenit in den tetragonal verzerrten (raumzentriertes bzw. kubisch-raumzentriertes, tetragonal verzerrtes Gitter) Martensit (spannungsinduzierter Martensit) um. Bei Entlastung wandelt sich der Martensit wieder in Austenit um. Da während der Umwandlung jedes Atom sein Nachbaratom beibehält, spricht man auch von einer diffusionslosen Phasenumwandlung. Deswegen wird die Eigenschaft als pseudoelastisches Verhalten bezeichnet. Das Material kehrt beim Entlasten durch seine innere Spannung wieder in seine Ursprungsform zurück. Dafür sind keine Temperaturänderungen erforderlich.
Im Rahmen der Erfindung kann die Superelastizität eines Faserwerkstoffs wie Nitinol vorteilhaft genutzt werden, um eine hohe Knickresistenz der aus dem Matrixmaterial des Kontaktelements herausragenden Faserenden zu erzielen. Bis zu einer Dehnung von 5% in dem Faserende erfolgt eine vollständige Rückumformung der Fasern, wenn der von ihnen zu einem Gegenstück oder Gegenkontakt hergestellte Kontakt geöffnet wird, und bis zu einer Dehnungsbelastung von nahezu 8% in der Randzone der Fasern richten sich diese praktisch wieder vollständig auf. Die Verwendung von Fasern aus einem superelastischen Werkstoff, beispielsweise als massive Faser oder als Rohrmantel aus einem superelastischen Werkstoff mit einem Edelmetallkern, ist daher bevorzugt, um zu verhindern, dass die aus dem Matrixmaterial des Kontaktelements herausstehenden Faserenden oder viele dieser Fasern durch den Kontakt mit dem Gegenstück oder Gegenkontakt dauerhaft verbogen werden und sich nach dem Öffnen des Kontaktes und dem Entlasten der Faserenden nicht mehr aufrichten. Die Verwendung eines superelastischen Materials wie Nitinol hat somit eine vorteilhafte Überlasttoleranz zur Folge. Unterhalb 5% bzw. 8% Dehnung erfolgt bei Nitinol eine vollständige Rückumformung der Faserenden bei ihrer Entlastung beim Öffnen des Kontakts, sodass sich eine sichere elektrische Kontaktierung ergibt.
Aus der niedrigen, über einen hohen Dehnungsbereich gleichbleibenden Plateauspannung in einem superelastischen Material ergibt sich ferner eine hohe Relativbewegung zwischen den Faserenden des Kontaktelements und dem Gegenstück oder Gegenkontakt. Hierdurch werden dünne Deckschichten durchgerieben oder auch Partikel beiseite geschoben und somit ein hoher Reinigungseffekt erzielt.
Fasern aus superelastischen Werkstoffen wie Nitinol haben gegenüber konventionellen elastischen Werkstoffen die Eigenschaft, sich im Bereich der Plateauspannung elastisch zu verformen und zu dehnen, ohne dass die Kraft hierbei ansteigt. Hierdurch wird erreicht, dass einzelne erhabene Verschmutzungen (z. B. Partikel) auf der Kontaktfläche nicht die Kontaktkraft bei den übrigen, neben dem Partikel liegenden Kontaktpunkten verringert.
Neben den superelastischen Eigenschaften wirkt sich auch die Temperaturabhängigkeit der Plateauspannung positiv aus. Liegt im Kontaktpunkt einer Einzelfaser infolge einer schlechten Kontaktierung eine Widerstandserwärmung vor, so tritt infolge Rückumformung der Faser im Kontaktpunkt eine reibende und somit reinigende Relativbewegung der Faser gegenüber dem Gegenstück bzw. Gegenkontakt auf.
Ein weiterer Vorteil von Formgedächtnislegierungen ist, dass sie sehr große Kräfte ohne auffallende Ermüdung auf mehrere 100.000 Bewegungszyklen übertragen können. Dadurch ergeben sich eine hohe Lebensdauer und Standfestigkeit daraus hergestellter Bauteile, im vorliegenden Fall der aus dem Matrixmaterial herausragenden Faserenden.
Erfindungsgemäße Kontaktelemente können in vielen Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden. Ein erstes Beispiel sind Schalter mit einem mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt oder Relais, die ein erfindungsgemäßes elektrisches Kontaktelement und ein zugehöriges, d. h. mit dem Kontaktelement zusammenwirkendes Gegenstück oder einen zugehörigen Gegenkontakt umfassen. Besonders vorteilhaft können erfindungsgemäße Kontaktelemente in einem Schalter eingesetzt werden, der ein Druckschalter, Druckwellenschalter oder Membranschalter ist. Bevorzugte Anwendungsbereiche erfindungsgemäßer Kontaktelemente sind elektrische Schalter oder Relais zum Schalten niedriger Signalspannungen und/oder niedriger Signalströme, insbesondere in sogenannten Dry-Circuit-Schaltkreisen.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Kontaktelements ist ein Schleifkontakt, der ein solches Kontaktelement umfasst, z. B. in einem Miniatur-Potentiometer, in der Dickfilmtechnik, als Kollektorbürste in Mikromotoren usw. Derartige Kontaktsysteme werden bisher üblicherweise als Vieldrahtschleifer ausgeführt. Auch hier dient die erfindungsgemäße Ausbildung als Vielstellenkontakt einer sicheren elektrischen Kontaktierung, die unempfindlich gegen Kurzzeitunterbrechungen durch Abhebevorgänge infolge Verunreinigungen ist.
Zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Kontaktelements wird ein drahtabschnittsförmiger Faserverbundwerkstoff gebildet, bei dem in ein elektrisch leitendes Matrixmaterial viele dünne, elektrisch leitende, elastisch verformbare Fasern eingebettet werden, die in dem Matrixmaterial im Wesentlichen parallel und in Längsrichtung des Drahtabschnitts angeordnet werden, und an einer Stirnseite des drahtabschnittsförmigen Faserverbundwerkstoffs das die Faserenden umgebende Matrixmaterial aus dem Faserverbundwerkstoff abgelöst wird, bevorzugt durch selektives Ätzen, insbesondere Tiefätzen, oder ein elektrochemisches Abtragen des Matrixmaterials, sodass die Enden der Fasern an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements aus dem Matrixmaterial herausragen und einen elektrischen Kontakt durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Enden der vielen Fasern an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements, die an der Stirnseite des Drahtabschnitts angeordnet ist, und einem flächigen Gegenstück oder Gegenkontakt herstellbar ist.
Die prinzipiellen Fertigungsschritte eines erfindungsgemäßen Kontaktelements können beispielsweise wie folgt sein. Zunächst erfolgt eine Manteldrahtherstellung. Hierbei werden ein Kapillarrohr aus dem Matrixwerkstoff, z. B. Silber oder eine Silberlegierung, und die Fasern gezogen, z. B. Nitinol-Draht, die Komponenten zusammengefügt und der Anlagezug zu Manteldraht durchführt, gefolgt von mehrfacher Umformung mit Zwischenglühungen. Aus den Ziehschritten resultiert letztlich die drahtabschnittsförmige Form des Faserverbundwerkstoffs, aus dem das Kontaktelement gebildet ist. Anschließend erfolgt eine Faserverbundherstellung, d. h. ein Bündeln gemäß der gewünschten Faseranordnung und ein Kompaktieren durch Ziehen bzw. Strangpressen. Aus dem Faserverbund kann dann ein Kontaktelement in Form einer Kontaktscheibe hergestellt werden mittels eines Trennschnitts der Scheiben, in dem ein zylindrischer, d. h. drahtabschnittsförmiger Abschnitt des Faserverbundwerkstoffs durch Sägen, Trennschleifen oder Scheren abgetrennt wird, und einem nachfolgenden Glühen. Je nach gewünschtem Faserverlauf in der späteren Kontaktfläche kann ein Formgebungsschritt mittels eines plastischen Umformverfahrens zum Einstellen der Orientierung der Faserenden erfolgen. Im nächsten Fertigungsschritt wird das Matrixmaterial um die Faserenden in einem abtragenden Prozess, beispielsweise durch (Tief-)Ätzen (HNO₃/H₂SO₄/H₂O/HF), abgetragen und die Faserenden werden freigelegt. Zum Konifizieren bzw. Ausbilden einer Spitze in den Faserenden kann hierbei zusätzlich ein elektrisches Potential angelegt werden. Ferner kann eine Oberflächenbeschichtung der Faserenden, z. B. mit Silber oder Gold in konventionellen galvanisch Edelmetallbädern, durchgeführt werden. Das Kontaktelement kann dann mittels einer formschlüssigen Verbindung, z. B. durch Einrandeln, Einprägen oder eine stoffschlüssigen Verbindung durch Widerstandsschweißen, auf einen Träger, z. B. eine Kontaktschraube, aufgebracht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben, auch wenn sie bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft eingesetzt werden können. Es zeigen:
1 einen Schaltkontakt nach dem Stand der Technik mit einem Partikel,
2 einen Schaltkontakt mit einem erfindungsgemäßen Kontaktelement und einem Partikel,
3 einen Faserverbundwerkstoff eines erfindungsgemäßen Kontaktelements vor dem Freilegen der Faserenden,
4 den Faserverbundwerkstoff von 3 nach dem Freilegen der Faserenden,
5 eine Abwandlung zu 5 mit gekrümmten Faserenden vor dem Freilegen der Faserenden,
6 den Faserverbundwerkstoff von 5 nach dem Freilegen der Faserenden,
7 ein erfindungsgemäßes Kontaktelement mit vorgekrümmten, freigelegten Faserenden,
8 ein Detail zu 7,
9 eine erste Abwandlung zu 8,
10 eine zweite Abwandlung zu 8,
11 eine dritte Abwandlung zu 8,
12 eine erste Fertigungsstufe eines erfindungsgemäßen Kontaktelements mit vorgekrümmten Faserenden,
13 eine zweite Fertigungsstufe zu 12,
14 eine dritte Fertigungsstufe zu 12,
15 eine erste Variante von Fertigungsschritten zum Einstellen der Orientierung der Faserenden und
16 eine zweite Variante von Fertigungsschritten zum Einstellen der Orientierung der Faserenden.
Die 1 veranschaulicht einen mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt 1 nach dem Stand der Technik. Er umfasst ein elektrisches Kontaktelement 2 und ein damit zusammenwirkendes flächiges Gegenstück bzw. einen Gegenkontakt 3. Das Kontaktelement 2 und der Gegenkontakt 3 sind aus einem massiven, elektrisch leitfähigen Material gefertigt. Der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktelement 2 und dem Gegenkontakt 3 wird durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Kontaktoberflächen dieser beiden Bauteile hergestellt. Man erkennt, dass bereits durch ein einziges Partikel 4 der elektrische Kontakt verhindert werden kann, insbesondere bei einer planen Ausführung der Kontaktflächen.
Die 2 zeigt die entsprechende Situation bei einem Schaltkontakt 1 mit einem erfindungsgemäßen Kontaktelement 2, das aus einem drahtabschnittsförmigen Faserverbundwerkstoff 8 gebildet ist, bei dem in ein elektrisch leitendes Matrixmaterial 5 viele dünne, elektrisch leitende Fasern 6 eingebettet sind, die in dem Matrixmaterial 5 im Wesentlichen parallel und in Längsrichtung des Drahtabschnitts angeordnet sind. Dabei wird der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktelement 2 und dem Gegenstück bzw. Gegenkontakt 3 durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Faserenden 7 an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements 2, die an der Stirnseite des Drahtabschnitts angeordnet ist, und dem flächigen Gegenstück bzw. Gegenkontakt 3 hergestellt. Die Fasern 6 sind elastisch verformbar, sodass sich die Enden 7 der Fasern 6, die an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements 2 aus dem Matrixmaterial 5 herausragen, flexibel an das Gegenstück bzw. den Gegenkontakt 3, der als konventioneller, massiver Kontakt ausgebildet ist, anlegen können. Hieraus resultiert eine Vielstellenkontaktierung über die Faserenden 7 der vielen Fasern 6, sodass trotz eines Fremdpartikels 4 eine sichere elektrische Kontaktierung zwischen dem Kontaktelement 2 und dem Gegenstück bzw. Gegenkontakt 3 möglich ist.
Ein solches erfindungsgemäßes Kontaktelement 2 besteht beispielsweise aus einer Kupfer-Matrix mit einem Durchmesser von 1 mm bis 2 mm, in die 130 Nitinol-Fasern mit einem Durchmesser von ca. 50 μm eingebettet sind. Die Faserenden 7 sind vorzugsweise durch Tiefätzen der Kupfer-Matrix aus dem Matrixmaterial 5 freigelegt und das scheibenförmige Kontaktelement 2 ist in das Ende einer Schraube verstemmt. Die Nitinol-Fasern können massiv oder eine Verbundfaser sein, umfassend beispielsweise einen Nitinol-Kern, der vergoldet ist und eine zusätzliche Diffusionssperrschicht aus Nickel aufweist.
Die 3 zeigt einen solchen Faserverbundwerkstoff 8 aus einem Matrixmaterial 5 und darin eingebetteten Fasern 6 vor dem Freilegen der Faserenden 7. In 4 ist der Faserverbundwerkstoff 8 von 3 nach dem Freilegen der Faserenden 7 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ragen die Faserenden 7 gerade aus dem Matrixmaterial 5 hervor.
Die 5 zeigt eine Abwandlung zu 5, wobei die Faserenden 7 vor ihrem Freilegen aus dem Matrixmaterial 5 durch entsprechende Fertigungsschritte gekrümmt werden. Die 6 zeigt den Faserverbundwerkstoff 8 von 5 nach dem Freilegen der gekrümmten Faserenden 7.
Die 7 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Kontaktelement 2 mit einem Faserverbundwerkstoff 8 gemäß 6, d. h. mit vorgekrümmten und freigelegten Faserenden 7. Die 8–11 veranschaulichen in einem Detail zu 7 beispielhafte Ausführungsformen der Faserenden 7. In 8 sind die Faserenden 7 zylindrisch und gekrümmt. In 9 sind die Faserenden 7 gekrümmt und zudem konisch zu einer Spitze 9 verjüngt. In 10 sind die Faserenden 7 nicht gekrümmt, sondern entsprechend zu der 4 gerade, und weisen zudem eine galvanische Beschichtung 10 auf, die eine pilzförmige Verdickung am Faserende 7 bildet. Die 11 zeigt ebenfalls ein gerades, d. h. nicht gekrümmtes Faserende 7, wobei die Faser 7 eine Verbundfaser ist, die aus einem Rohr 11, beispielsweise aus Nitinol, und einem darin eingelagerten Kern 12, beispielsweise aus Edelmetall, besteht. Der Kern 12 kann am Faserende 7 durch einen selektiven Bearbeitungsschritt aus dem Rohr 11 freigelegt sein.
Dir 12–14 zeigen drei Fertigungsstufen eines erfindungsgemäßen Kontaktelements 2 mit vorgekrümmten Faserenden 7. In 12 ist der drahtabschnittsförmige Ausgangsfaserverbundwerkstoff 8 aus dem Matrixmaterial 5 und den darin eingebetteten, parallel verlaufenden Fasern 6 dargestellt. Zum Erzielen der Vorkrümmung der Fasern 6 wird der Kontaktrohling von 12 in einem Stauch- oder Fließprozess umgeformt, wie in 13 dargestellt ist. Dabei wird er einer formeinprägenden Wärmebehandlung, bei Nitinol typischerweise zwischen 350°C und 550°C, unterzogen, wobei der Faser 6 die Form eingeprägt sowie das superelastische Verhalten eingestellt wird. Anschließend erfolgt das selektive Abtragen des Matrixmaterials 5, bis die Faserenden 7 in der gewünschten Länge freigelegt sind.
Die 15 und 16 veranschaulichen zwei Varianten von Fertigungsschritten zum Einstellen der Orientierung der Faserenden 7, d. h. die Fertigungsschritte, die von 12 zu 13 führen. In 15 ist der Faserverbundwerkstoff 8 in eine Aufnahme 13 eingelassen und wird durch einen Stempel 14 in dem Block umgeformt. Anschließend wird der teilumgeformte Faserverbundwerkstoff 8 in eine engere Aufnahme 13 eingesetzt und mit einem Stempel 14 fertig umgeformt. Bei dieser Variante wird beim Anstauchen des Nietschaftes der aus dem Faserverbundwerkstoff 8 gebildeten Kontaktniete die Orientierung des Verlaufs der Fasern 6 im Wesentlichen beibehalten, d. h. die Fasern 6 verlaufen in dem umgeformten Teil des Faserverbundwerkstoffs 8 (im Nietkopf) im Wesentlichen in derselben Orientierung (in 15 senkrecht) wie die Fasern 6 in dem nicht umgeformten Teil des Faserverbundwerkstoffs 8 (im Nietschaft).
In 16 ist der Faserverbundwerkstoff 8 in eine Aufnahme 13 eingesetzt und wird mit einer Trennvorrichtung 15 abgetrennt. Anschließend wird er mit einem Stempel 14 umgeformt. Bei dieser Variante wird beim Anstauchen des Nietkopfes der aus dem Faserverbundwerkstoff 8 gebildeten Kontaktniete die Orientierung des Verlaufs der Fasern 6 merklich geändert, d. h. die Fasern 6 verlaufen in dem umgeformten Teil des Faserverbundwerkstoffs 8 (im Nietkopf) im Wesentlichen abgewinkelt (in 16 waagrecht) zu den Fasern 6 in dem nicht umgeformten Teil des Faserverbundwerkstoffs 8 (im Nietschaft).
Bezugszeichenliste

1: Schaltkontakt
2: Kontaktelement
3: Gegenkontakt
4: Partikel
5: Matrixmaterial
6: Faser
7: Faserende
8: Faserverbundwerkstoff
9: Spitze
10: Beschichtung
11: Rohr
12: Kern
13: Aufnahme
14: Stempel
15: Trennvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2508490 A1 [0016]
DE 2813087 A1 [0016]
DE 3335274 C2 [0016]

Claims

Elektrisches Kontaktelement (2) für einen mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt (1), das aus einem drahtabschnittsförmigen Faserverbundwerkstoff (8) gebildet ist, bei dem in ein elektrisch leitendes Matrixmaterial (5) viele dünne, elektrisch leitende Fasern (6) eingebettet sind, die in dem Matrixmaterial (5) im Wesentlichen parallel und in Längsrichtung des Drahtabschnitts angeordnet sind, wobei der elektrische Kontakt durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Enden (7) der vielen Fasern (6) an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2), die an der Stirnseite des Drahtabschnitts angeordnet ist, und einem flächigen Gegenstück oder Gegenkontakt (3) herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) elastisch verformbar sind und die Enden (7) der Fasern (6) an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2) aus dem Matrixmaterial (5) herausragen.
Kontaktelement (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2) aus dem Matrixmaterial (5) herausragenden Enden (7) der Fasern (6) mittels einer selektiven Ablösung des die Faserenden (7) umgebenden Matrixmaterials (5) aus dem Faserverbundwerkstoff (8) freigelegt sind.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Matrixmaterial (5) herausragenden Faserenden (7) sich zu ihrem Ende hin verjüngend ausgebildet sind.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Matrixmaterial (5) herausragenden Faserenden (7) schräg zur Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2) verlaufend ausgebildet sind.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Matrixmaterial (5) herausragenden Faserenden (7) mit Edelmetall beschichtet sind.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Drahtabschnitts zwischen 0,2 mm und 15 mm, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 5 mm beträgt.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Fasern (6) zwischen 1 μm und 1 mm, bevorzugt zwischen 2 μm und 500 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 μm und 100 μm beträgt.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Fasern (6) zwischen 5 und 3.000, bevorzugt zwischen 15 und 1.000, besonders bevorzugt zwischen 25 und 500 beträgt.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge, mit der die Enden der Fasern (6) an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2) aus dem Matrixmaterial (5) herausragen, zwischen 0,01 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,02 mm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,05 mm und 2 mm beträgt.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (5) aus Kupfer, Nickel, Silber, Gold oder einer Legierung mit einem oder mehreren dieser Stoffe gebildet ist.
Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) aus Nickel, Silber, Gold, Platin, Palladium, Stahl, Edelstahl, Kobalt, Molybdän, Niob, Tantal, Titan oder einer Legierung mit einem oder mehreren dieser Stoffe gebildet sind.
Kontaktelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (6) aus einem superelastischen Werkstoff, insbesondere aus Nitinol gebildet sind.
Schalter mit einem mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt oder Relais, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkontakt bzw. das Relais ein elektrisches Kontaktelement (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein zugehöriges Gegenstück oder einen zugehörigen Gegenkontakt (3) umfasst.
Schalter mit einem mechanisch schaltbaren elektrischen Schaltkontakt oder Relais nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkontakt bzw. das Relais zum Schalten niedriger Signalspannungen und/oder niedriger Signalströme, insbesondere in sogenannten Dry-Circuit-Schaltkreisen, ausgebildet ist.
Schalter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Druckschalter, Druckwellenschalter oder Membranschalter ist.
Schleifkontakt, umfassend ein Kontaktelement (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verfahren zum Herstellen eines Kontaktelements (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtabschnittsförmiger Faserverbundwerkstoff (8) gebildet wird, bei dem in ein elektrisch leitendes Matrixmaterial (5) viele dünne, elektrisch leitende, elastisch verformbare Fasern (6) eingebettet werden, die in dem Matrixmaterial (5) im Wesentlichen parallel und in Längsrichtung des Drahtabschnitts angeordnet werden, und an einer Stirnseite des drahtabschnittsförmigen Faserverbundwerkstoffs (8) das die Faserenden (7) umgebende Matrixmaterial (5) aus dem Faserverbundwerkstoff (8) abgelöst wird, sodass die Enden (7) der Fasern (6) an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2) aus dem Matrixmaterial (5) herausragen und eine elektrischer Kontakt durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Enden (7) der vielen Fasern (6) an der Kontaktoberfläche des Kontaktelements (2), die an der Stirnseite des Drahtabschnitts angeordnet ist, und einem flächigen Gegenstück oder Gegenkontakt (3) herstellbar ist.