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Stand der Technik
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In Steckverbinderanordnungen zur elektrischen Kontaktierung eines Kontaktelements mit einem separaten Gegenkontaktelement wird die mechanische und elektrische Kontaktierung häufig über Kontaktlamellen bewirkt. Üblicherweise sind die Kontaktlamellen krumm und aus dünnem Blech hergestellt und besitzen daher ein gutes Federungsverhalten.
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In derartigen Steckverbinderanordnungen weisen die Kontaktlamellen normaler Weise zwei Funktionen auf. Zum einen bewirken Sie die elektrische Verbindung vom Kontaktelement zum Gegenkontaktelement. Zum anderen bewirken Sie die mechanische Fixierung, beispielsweise durch Festklemmen, des Kontaktelements im oder am Gegenkontaktelement.
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Eine Steckverbinderanordnung mit einem derartigen Kontaktelement ist in der
DE 299 06 652 U1 beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass in der Steckverbinderanordnung für die elektrische Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Gegenkontaktelement eine geeignete Kontaktkraft zwischen Kontaktelement und Gegenkontaktelement aufgebracht werden muss. Diese Kontaktkraft kann beispielsweise über eine Kontaktlamelle vom Gegenkontaktelement auf das Kontaktelement ausgeübt werden und sollte in einem definierten Bereich liegen. Wenn die Kontaktkraft zu klein ist, kann keine gute elektrische Verbindung gewährleistet werden. Ist die Kontaktkraft dagegen zu hoch, so wird die Steckkraft beim Einstecken des Kontaktelements in das separate Gegenkontaktelement und damit die Bedienkraft zu groß. Dann kann es auch zu Beschädigungen einer Kontaktoberfläche des Kontaktelements kommen, insbesondere bei mehrfachen Steckzyklen, wodurch die elektrische Verbindung beeinträchtigt werden kann.
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Beim Steckvorgang des Kontaktelements in das Gegenkontaktelement in einer Einsteckrichtung wird die maximale Steckkraft erreicht, wenn ein erster Abschnitt, welcher oft als Spitze ausgebildet ist, die Kontaktlamelle des Gegenkontaktelements mechanisch kontaktiert und quer zur Einsteckrichtung nach außen weggedrückt. Üblicherweise hat der erste Abschnitt des Kontaktelements dieselbe Beschichtung (z.B. Sn oder Ag oder Au) wie die restliche Fläche des Kontaktelements und wie die Kontaktlamelle des Gegenkontaktelements. Es resultiert eine relativ hoher Haftreibungskoeffizient (µ) von häufig mehr als 0,1 zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktlamelle, was eine hohe Steckkraft zur Folge hat, obwohl der erste Abschnitt des Kontaktelements üblicherweise keine elektrische Funktion in der Steckverbinderanordnung hat.
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Es kann daher ein Bedarf bestehen, ein Kontaktelement bereitzustellen, welches beim Einstecken in das Gegenkontaktelement eine verringerte Steckkraft aufweist, ohne dass die Kontaktkraft oder die Qualität der elektrischen Kontaktierung zwischen Kontaktelement und Gegenkontaktelement reduziert ist, z.B. hinsichtlich der Stromtragfähigkeit oder der Vibrationsfestigkeit.
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Vorteile der Erfindung
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile eines Kontaktelements und einer Steckverbinderanordnung mit einem Kontaktelement gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kontaktelement vorgeschlagen, welches es ermöglicht, mit einer geringen maximalen Steckkraft in ein separates Gegenkontaktelement eingesteckt zu werden, wobei gleichzeitig die Kontaktkraft und damit die Zuverlässigkeit des elektrischen Kontakts zwischen Kontaktelement und Gegenkontaktelement gegenüber herkömmlichen Kontaktelementen zumindest gleich groß ist.
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Dies wird dadurch erreicht, dass das Kontaktelement zum Einstecken in ein separates Gegenkontaktelement in einer Einsteckrichtung einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Kontaktkörper aufweist. Dabei weist der Kontaktkörper einen ersten Abschnitt mit einer ersten Oberfläche auf sowie wenigstens einen weiteren Abschnitt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass wenigstens die erste Oberfläche des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers aus einem Material gebildet ist, das gegenüber metallischen Oberflächen einen Haftreibungskoeffizienten von weniger als 0,05 aufweist.
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Gegenüber dem Stand der Technik weist das erfindungsgemäße Kontaktelement den Vorteil auf, dass beim Einstecken des Kontaktelements in das separate Gegenkontaktelement eine erheblich geringere maximale Steckkraft aufgebracht werden muss. Dadurch wird der Montagevorgang erheblich vereinfacht. Darüber hinaus wird das Risiko verringert, dass die erste Oberfläche des Kontaktkörpers durch Reibungskräfte zwischen beispielsweise am Gegenkontaktelement vorhandenen Kontaktlamellen und der ersten Oberfläche beschädigt wird. Vielmehr können derartige Kontaktlamellen des Gegenkontaktelements leicht über die erste Oberfläche des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers abgleiten. Auf diese Weise wird ein Kontaktelement bereitgestellt, welches auch vielfache Steckvorgänge bzw. Steckzyklen beschädigungsfrei übersteht. Alternativ kann eine von den Kontaktlamellen eines Gegenkontaktelements ausgeübte Kontaktkraft, welche quer zur Einsteckrichtung wirkt, gegenüber herkömmlichen Kontaktelementen vergrößert werden, ohne dass dadurch die maximale Steckkraft erhöht wird. Auf diese Weise kann das Kontaktelement bei gleich bleibender oder verbesserter elektrischer Kontaktqualität robuster im separaten Gegenkontaktelement fixiert werden, wodurch die elektrische Zuverlässigkeit auch bei ungünstigen Einbaubedingungen steigt, z.B. beim Auftreten von Vibrationen. Besonders vorteilhaft ist es, dass diese Steckkraftreduktion durch eine fest mit dem ersten Abschnitt verbundene Oberfläche bewirkt wird und es somit nicht erforderlich ist, durch Öle oder andere flüchtige bzw. verklebende Gleitmittel eine Reduktion der maximalen Steckkraft zu bewirken. Somit ist die Steckkraftreduktion konstruktiv in das Kontaktelement integriert und muss kann nicht vergessen werden wie z.B. das Auftragen eines Gleitmittels vor einer Montage des Kontaktelements in einem separaten Gegenkontaktelement. Auch verliert sie durch längere Nichtbenutzung nicht ihre Wirkung wie es z.B. beim Eintrocknen von Schmiermitteln der Fall ist. Schließlich lässt sich die Qualität einer fest mit dem ersten Abschnitt verbundenen ersten Oberfläche erheblich einfacher prüfen als die eines viskosen Schmiermittelfilms, der z.B. im Zeitraum nach einer Qualitätskontrolle entnetzen kann oder sich auf andere Weise in seinen Eigenschaften verändern kann. Derartige Qualitätsprüfungen können sich z.B. auf Eigenschaften wie Schichtdicke, Materialreinheit topographische Rauigkeit oder elektrische Leitfähigkeit beziehen.
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Dadurch, dass der erste Abschnitt quer zur Längsachse einen Durchmesser aufweist, wobei sich der Durchmesser entlang der Einsteckrichtung betrachtet verjüngt, wird ein besonders einfaches Einstecken des Kontaktelements in ein Gegenkontaktelement geschaffen. Mit anderen Worten ist durch den sich in Einsteckrichtung verjüngenden Durchmesser der erste Abschnitt als eine Spitze ausgebildet, die den Einsteckprozess durch vereinfacht, indem sie als Einführschräge und Zentrierungshilfe dient. Dabei kann die Spitze beispielsweise konisch oder kegelförmig oder stumpfkegelförmig ausgebildet sein.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest die erste Oberfläche des ersten Abschnitts aus PTFE (PTFE ist die Kurzbezeichnung für Polytetrafluorethylen) bzw. Teflon gebildet ist. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt, dass eine besonders geringe maximale Steckkraft beim Einstecken in ein separates Gegenkontaktelement erreicht werden kann, da PTFE bzw. Teflon gegenüber Metallen einen besonders niedrigen Haftreibungskoeffizienten auf. Darüber hinaus wird dadurch vorteilhaft bewirkt, dass die erste Oberfläche elektrisch isolierend ausgebildet ist und keinerlei elektrische Funktion aufweist. Somit kann die Übertragung elektrischer Ströme nicht schon beim mechanischen Kontakt zwischen dem ersten Abschnitt des Kontaktkörpers des Kontaktelements und einem separaten Gegenkontaktelement oder beim Berühren während der Montage erfolgen. Dadurch wird zuverlässig beispielsweise ein unbeabsichtigter Kurzschluss bei noch nicht ausgeglichenen elektrischen Potenzialen zwischen Kontaktelement und Gegenkontaktelement bewirkt. Schließlich wird bei dieser Weiterbildung vorteilhaft erreicht, dass die erste Oberfläche des ersten Abschnitts und auch der erste Abschnitt besonders korrosionsbeständig sind. Denn PTFE selbst unterliegt keiner Korrosionen und durch die haftreibungsarme erste Oberfläche und das dadurch bewirkte geringe Risiko einer zerkratzten bzw. beschädigten ersten Oberfläche ist auch der unter der ersten Oberfläche liegende Teil des ersten Abschnitts besonders gut gegen einen Kontakt mit korrosionsfördernden Substanzen geschützt.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt des Kontaktkörpers vollständig aus PTFE bzw. Teflon gebildet ist. Dadurch ist vorteilhaft eine Korrosion des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers zuverlässig vollkommen ausgeschlossen und auch die elektrische Isolierung des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers ist dadurch zuverlässig gegeben.
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Generell kann dadurch, dass der erste Abschnitt des Kontaktkörpers entweder vollständig aus PTFE bzw. Teflon besteht oder dass zumindest die erste Oberfläche des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers aus PTFE besteht vorteilhaft eine Aufteilung des Kontaktkörpers in einen elektrisch nicht funktionalen Teil, nämlich den ersten Abschnitt, sowie in einen elektrisch funktionalen Teil bewirkt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Oberfläche des ersten Abschnitts durch eine Beschichtung gebildet ist, wobei die Beschichtung eine Dicke aufweist, wobei die Dicke in einem Bereich zwischen 1 µm und 100 µm liegt, insbesondere in einem Bereich von 10 µm bis 20 µm. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft bewirkt dass die erste Oberfläche des Kontaktkörpers hinsichtlich Material- und Oberflächenqualität in spezifischer Weise an dasjenige Material des Gegenkontaktelements anpassbar ist, welches mit dem Kontaktkörper bzw. mit dem ersten Abschnitt des Kontaktelements zuerst in Berührung kommt. Dadurch, dass die erste Oberfläche als Beschichtung ausgebildet ist lässt sich überdies der Kontaktkörper also solcher in einem Standardverfahren sehr kostengünstig herstellen. Die Beschichtung selber kann dann in darauf folgenden Fertigungsschritten beispielsweise in derselben Fertigungsmaschine oder aber einer vollkommen separaten Fertigungsmaschine hergestellt werden. Die Beschichtung kann beispielsweise durch einen Sputter-Prozess, einen Abscheideprozess, einen Tauchprozess, einen Gasabscheidungsprozess oder ähnliche Verfahren der Oberflächenbeschichtung hergestellt werden. Durch eine derartige Beschichtung kann vorteilhaft auch gewährleistet werden, dass die erste Oberfläche des ersten Abschnitts beispielsweise besonders gut elektrisch isolierend ausgebildet ist, indem eine Kontamination einer elektrisch isolierenden Beschichtung mit elektrisch leitfähigen Substanzen besonders einfach verhindert werden kann. Durch die angegebenen Dickenbereiche zwischen 1 µm und 100 µm und bevorzugt zwischen 10 µm und 20 µm wird ein besonders sparsamer und schneller Beschichtungsprozess befördert. Darüber hinaus ist durch eine derartige Dicke auch bei vielfachen Steckzyklen gewährleistet, dass die erste Oberfläche den niedrigen Haftreibungskoeffizienten gegenüber metallischen Oberflächen, beispielsweise des Gegenkontaktelements, beibehält, da sie sich nicht so schnell abnutzt wie z.B. eine nur monoatomare Schutzschicht oder Gleitmittelfilme. Schließlich ist bei derartigen Dicken der ersten Oberfläche eine elektrische Isolierung auch bei höheren Spannungen zwischen der ersten Oberfläche und einer metallischen Gegenoberfläche wirkungsvoll gegeben, so dass beim Einsteckvorgang ein elektrischer Durchschlag wirkungsvoll unterdrückt wird. Ganz allgemein ist eine derartige Beschichtung auch bezüglich ihrer räumlichen Ausdehnung entlang der Einsteckrichtung wesentlich präziser von dem elektrisch funktionalen wenigstens einen weiteren Abschnitt abgrenzbar als dies beispielsweise mit Gleitmittelfilmen möglich wäre, die sich z.B. durch Kapillarkräfte auch entlang von Oberflächen ausbreiten können.
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Dadurch, dass der wenigstens eine weitere Abschnitt des Kontaktkörpers eine weitere Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche des ersten Abschnitts gegenüber der weiteren Oberfläche des wenigstens einen weiteren Abschnitts eine um wenigstens einen Faktor von 108 geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist, wird vorteilhaft bewirkt, dass beim Einsteckvorgang ein nennenswerter elektrischer Stromfluss erst stattfindet, wenn die weitere Oberfläche des weiteren Abschnitts des Kontaktkörpers mit den korrespondierenden Elementen eines Gegenkontaktelement in Berührung kommen, beispielsweise mit Kontaktlamellen,
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Ganz besonders vorteilhaft wird dadurch bewirkt, dass bei der Montage ein versehentliches Berühren eines elektrisch leitfähigen Körpers mit der ersten Oberfläche des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers des Kontaktelements nicht zum Fließen von elektrischem Strom zwischen dem Kontaktelement und dem versehentlich berührten elektrisch leitfähigen Körper führt. Dadurch werden beispielsweise empfindliche Elemente wie zum Beispiel ASICs oder Sensoren, welche an das Kontaktelement angeschlossen sein können, vor einer Zerstörung durch elektrische Pulse in Folge von nicht ausgeglichenen Potenzialen zuverlässig bewahrt. In gleicher Weise ist durch diese Weiterbildung eine an das Kontaktelement angeschlossene elektrische Komponente auch durch statische Entladung infolge einer Berührung beispielsweise durch einen Monteur geschützt.
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Schließlich wird durch diese Weiterbildung ein großer Vorteil für Steckverbinder mit vorauseilender Massekontaktierung bewirkt. In derartigen Steckverbindern ist üblicherweise wenigstens ein Kontaktelement entlang der Einsteckrichtung länger, also vorauseilend, ausgebildet als die anderen Kontaktelemente, um so sicherzustellen, dass dieses vorauseilende Kontaktelement zuerst mit elektrisch leitfähigen Elementen eines Gegensteckverbinders in Berührung kommt. Dadurch wird ein definierter elektrischer Potenzialausgleich zwischen Steckverbinder und Gegensteckverbinders bewirkt. In derartigen Steckverbindern, in welche ein Kontaktelement gemäß der Weiterbildung der Erfindung eingebaut ist, kann die Länge des vorauseilenden Massekontakts um die Länge der elektrisch nicht leitfähigen ersten Oberfläche bzw. um die Länge des ersten Abschnitts entlang der Einsteckrichtung reduziert werden. Dadurch wird ein besonders kompakter Aufbau eines derartigen Steckverbinders mit vorauseilender Massekontaktierung bewirkt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Steckverbinderanordnung mit einem Kontaktelement vorgestellt. Die Steckverbinderanordnung weist dabei ein Gegenkontaktelement auf, wobei das Gegenkontaktelement wenigstens einen Gegenkontaktabschnitt mit einer Gegenkontaktabschnittsoberfläche aufweist, welche beim Einsteckvorgang des Kontaktelements in das Gegenkontaktelement zuerst mit dem ersten Abschnitt des Kontaktkörpers des Kontaktelements in mechanischen Kontakt tritt. Dabei ist die Gegenkontaktabschnittsoberfläche aus wenigstens einem Metall oder einem elektrisch gut leitfähigen Kunststoff gebildet, wobei das Metall insbesondere aus der Gruppe Kupfer, Zinn, Gold, Silber, Aluminium, Palladium oder Platin stammt. Das Kontaktelement der Steckverbinderanordnung weist einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Kontaktkörper auf, wobei der Kontaktkörper einen ersten Abschnitt mit einer ersten Oberfläche aufweist und wobei der Kontaktkörper wenigstens einen weiteren Abschnitt aufweist. Dabei ist wenigstens die erste Oberfläche des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers des Kontaktelements aus einem Material gebildet, das gegenüber der Gegenkontaktabschnittsoberfläche des Gegenkontaktelements einen Haftreibungskoeffizienten von weniger als 0,05 aufweist.
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Der wenigstens eine Gegenkontaktabschnitt des Gegenkontaktelements kann dabei beispielsweise als eine Lamelle bzw. eine Gegenkontaktlamelle aus einem dünnen Blech ausgebildet sein, wobei sich die Lamelle beispielsweise entlang der Einsteckrichtung des Kontaktelements in das Gegenkontaktelement erstreckt und quer zur Einsteckrichtung elastisch federnd ausgebildet ist.
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Gegenüber dem Stand der Technik wird durch die erfindungsgemäße Steckverbinderanordnung eine besonders geringe maximale Steckkraft des Kontaktelements in das Gegenkontaktelement bewirkt, wobei die quer zur Einsteckrichtung wirkende Kontaktkraft und damit die Stromtragfähigkeit der elektrischen Verbindung gegenüber Steckverbinderanordnung aus dem Stand der Technik unverändert bleibt. Alternativ kann bei gleich bleibender Haftreibung bzw. gleicher maximaler Steckkraft die quer zur Einsteckrichtung wirkende Kontaktkraft erhöht werden, wodurch die Steckverbinderanordnung eine erhöhte Robustheit gegen Vibrationen aufweisen kann bzw. eine höhere Stromtragfähigkeit gegenüber Steckverbinderanordnung aus dem Stand der Technik aufweisen kann.
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Dadurch, dass der Haftreibungskoeffizient der ersten Oberfläche des ersten Abschnitts des Kontaktkörpers des Kontaktelements gegenüber der Gegenkontaktabschnittsoberfläche einen Wert von weniger als 0,05 aufweist, insbesondere von weniger als 0,02, wird vorteilhaft bewirkt, dass die maximale Steckkraft beim Einstecken des Kontaktelements in das Gegenkontaktelement bzw. des Kontaktelements auf das Gegenkontaktelement besonders gering ausfällt. Dadurch lassen sich beispielsweise hochpolige Steckverbinder mit sehr geringer maximaler Steckkraft realisieren. Auch sind vorteilhaft vielfache Steckzyklen des Kontaktelements möglich, ohne dass es zu einer Beschädigung der ersten Oberfläche bzw. der Gegenkontaktabschnittsoberfläche kommt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gegenkontaktabschnitt mit wenigstens einem quer zur Einsteckrichtung federnden Element, insbesondere mit wenigstens einer federnd ausgebildeten Kontaktlamelle gestaltet ist. Dadurch wird eine besonders einfache Herstellung ermöglicht. Außerdem lässt sich auf diese Weise besonders wirkungsvoll die Kontaktkraft zwischen Kontaktelement und Gegenkontaktelement einstellen. Benötigt man beispielsweise eine höhere Kontaktkraft, so kann beispielsweise ein steiferes Material für das federnde Element verwendet werden oder es kann die elastischen Vorspannung im Zustand ohne eingestecktes Kontaktelement vergrößert werden. Geringere Kontaktkräfte können durch weniger steife Materialien bzw. eine geringere Vorspannung bewirkt werden.
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Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
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1a einen Querschnitt durch ein Kontaktelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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1b einen vergrößerten Ausschnitt aus dem ersten Abschnitt des Kontaktelements gemäß 1a;
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2 einen Querschnitt durch ein Kontaktelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3a einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Steckverbinderanordnung zu Beginn des Einsteckvorgangs;
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3b einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Steckverbinderanordnung am Ende des Einsteckvorgangs;
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3c eine Darstellung der Steckkräfte beim Einsteckvorgang für ein herkömmliches Kontaktelement und ein erfindungsgemäßes Kontaktelement.
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Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
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In 1a ist ein Kontaktelement 100 dargestellt, welches beispielsweise als ein Buchsenkontaktelement ausgebildet ist. Das Kontaktelement 100 ist dafür ausgebildet, in ein vom Kontaktelement separates Gegenkontaktelement 300 (3a und 3b) in einer Einsteckrichtung 280 eingesteckt zu werden. Das Kontaktelement 100 weist einen sich entlang einer Längsachse 150 erstreckenden Kontaktkörper 200 auf. Der Kontaktkörper 200 und auch das gesamte Kontaktelement 100 können als ein Stanzbiegeteil beispielsweise aus einem dünnen Blech hergestellt sein und einen rechteckigen, mehreckigen oder runden oder ovalen Querschnitt quer zur Längsachse 150 aufweisen. Die Längsachse 150 verläuft bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Einsteckrichtung 280. Der Kontaktkörper 200 weist einen ersten Abschnitt 210 mit einer ersten Oberfläche 212 auf sowie wenigstens einen weiteren Abschnitt 220, wobei der wenigstens eine weitere Abschnitt 220 eine weitere Oberfläche 222 aufweist.
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Bezüglich der Einsteckrichtung 280 ist der erste Abschnitt 210 am vorderen Ende des Kontaktkörpers 200 angeordnet. Der erste Abschnitt weist quer zur Längsachse einen Durchmesser (D1) auf, wobei sich der Durchmesser (D1) entlang der Einsteckrichtung 280 betrachtet verjüngt. Der erste Abschnitt 210 ist somit in Form einer Spitze ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Abschnitt 210 stumpfkegelförmig ausgebildet. Der wenigstens eine weitere Abschnitt 220 weist einen weiteren Durchmesser (D) auf. Bevorzugt ist im Übergangsbereich zwischen dem ersten Abschnitt 210 und dem wenigstens einen weiteren Abschnitt 220 der Durchmesser (D1) des ersten Abschnitts 210 und der weiteren Durchmesser (D) des wenigstens einen weiteren Abschnitts 220 im Wesentlichen gleich groß.
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Am bezogen auf die Einsteckrichtung 280 hinteren Ende des Kontaktkörpers 200 kann an dem Kontaktelement 100 ein Kabel 240 beispielsweise durch eine Crimpverbindung oder eine Lötverbindung befestigt sein. Das Kontaktelement 100 kann dazu, wenn es beispielsweise als Stanzbiegeteil ausgebildet ist, an seinem hinteren Ende einen Crimpabschnitt bzw. Lötabschnitt aufweisen.
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Der Kontaktkörper 200 ist aus einem Kontaktkörpermaterial 202 gebildet. Der Kontaktkörper 200 kann als ein Stanzbiegeteil geformt sein oder aus Vollmaterial bestehen. Das Kontaktkörpermaterial 202 kann ein Blech, beispielsweise aus Kupfer, Stahl, Aluminium oder Silber oder aus einem beliebigen anderen Material, bevorzugt aus einem elektrisch gut leitfähigen Material wie z.B. Metall oder einem elektrisch gut leitfähigen Kunststoff gebildet sein. Das Kontaktkörpermaterial 202 kann so gewählt sein, dass eine ausreichende Stromtragfähigkeit gegeben ist, z.B. auch bei Hochspannungs- bzw. Hochstromanwendungen, z.B. für Elektroantriebe im Automobilbereich. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch der erste Abschnitt 210 unterhalb der ersten Oberfläche 212 aus dem Kontaktkörpermaterial 202 gebildet.
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Die erste Oberfläche 212 des ersten Abschnitts 210 ist aus einem Material gebildet, das gegenüber metallischen Oberflächen einen Haftreibungskoeffizienten (µ) von weniger als 0,05, bevorzugt von weniger als 0,02, aufweist. Bevorzugt ist die erste Oberfläche 212 durch PTFE 214 bzw. Teflon 214 gebildet und ist elektrisch nicht leitfähig. Auf diese Weise ist das Kontaktelement entlang der Einsteckrichtung eingeteilt in einen elektrisch nicht funktionalen Teil, der durch den ersten Abschnitt 210 gebildet ist sowie in einen elektrisch funktionalen Teil, der durch den wenigstens einen weiteren Abschnitt 220 gebildet ist.
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In 1b ist ein vergrößerter Ausschnitt der ersten Oberfläche 212 des ersten Abschnitts 210 des Kontaktkörpers 200 dargestellt. Die erste Oberfläche 212, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus PTFE 214 bzw. Teflon 214 bestehen kann weist eine Dicke (d) auf. Die Dicke (d) liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 1 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 10 µm und 20 µm. Die erste Oberfläche 212 des ersten Abschnitts 210 kann beispielsweise durch einen Beschichtungsprozess auf das Kontaktkörpermaterial 202 des Kontaktkörpers 200 im Bereich des ersten Abschnitts 210 aufgebracht sein. So kann das fertig hergestellte Kontaktelement 100, beispielsweise in Form eines Stanzbiegeteils, zur Beschichtung in einem weiteren Fertigungsschritt mittels eines Sputterprozesses, eines Eintauchprozesses oder eines Verdampfungsprozesses (CVD) oder eines Molekularstrahlepitaxieprozesses mit einem Erstabschnittsmaterial 216 beschichtet werden, beispielsweise mit PTFE 214 bzw. Teflon 214. Auch kann die erste Oberfläche 210 in einem Fertigungsschritt noch derart behandelt werden, dass ihr Haftreibungskoeffizient (µ) gegenüber metallischen Oberflächen herabgesetzt wird, z.B. durch einen Poliervorgang, oder ähnliches. Die weitere Oberfläche 222 des wenigstens einen weiteren Abschnitts 220 kann aus demselben Material gebildet sein wie das Kontaktkörpermaterial 202. Sie kann jedoch auch durch eine Beschichtung mit einem Kontaktmaterial 224 gebildet sein. Das Kontaktmaterial 224 kann beispielsweise wenigstens einen der Stoffe Kupfer, Zinn, Aluminium, Messing, Zink, Gold, Silber, Platin oder Palladium umfassen. Es ist auch möglich, dass die weitere Oberfläche 222 aus mehreren Schichten verschiedener Materialien gebildet ist. Entscheidend ist hierbei, dass die weitere Oberfläche 222 gegenüber der ersten Oberfläche 212 eine wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist, bevorzugt eine um einen Faktor von wenigstens 108 höhere elektrische Leitfähigkeit.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform des Kontaktelements dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der erste Abschnitt 210 des Kontaktkörpers vollständig aus dem Erstabschnittsmaterial 216 gebildet. Somit ist automatisch auch die erste Oberfläche 212 aus dem Erstabschnittsmaterial 216 gebildet. Das Erstabschnittsmaterial 216 ist derart gewählt, dass es gegenüber metallischen Oberflächen einen Haftreibungskoeffizienten (µ) von weniger als 0,05, bevorzugt von weniger als 0,02 aufweist. Das Erstabschnittsmaterial 216 kann dabei aus PTFE 214 bzw. Teflon 214 gebildet sein. Der erste Abschnitt 210 des Kontaktkörpers 200 ist dabei lösbar (beispielsweise durch eine Schraubverbindung) oder unlösbar (beispielsweise durch Form-, Kraft- oder Stoffschluss) mit dem wenigstens einen weiteren Abschnitt 220 verbunden. Bei der Herstellung des Kontaktelements 100 können der erste Abschnitt 210 und der wenigstens eine weitere Abschnitt 220 zunächst separat vorliegen und erst in einem weiteren Herstellungsschritt miteinander verbunden werden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist besonders robust gegen mechanische und/oder chemische Einwirkungen an seinem ersten Abschnitt 210. Dadurch ist der erste Abschnitt 210 gegen korrosive Umgebungen und gegen häufige Ein- und Aussteckvorgänge sehr robust. Wird der erste Abschnitt 210 lösbar vom wenigstens einen weiteren Abschnitt 220 ausgebildet, so lässt es sich im Falle einer Beschädigung z.B. in Folge häufiger Steckzyklen, einfach und kostengünstig austauschen.
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In 3a ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steckverbinderanordnung 400 zu Beginn eines Einsteckprozesses dargestellt. Die Steckverbinderanordnung 400 umfasst ein Kontaktelement 100 und ein korrespondierendes Gegenkontaktelement 300. Das Gegenkontaktelement 300 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Kontaktbuchse ausgebildet und kann beispielsweise als ein Stanzbiegeteil hergestellt sein. Das Gegenkontaktelement 300 kann beispielsweise aus einem Metall oder einem leitfähigen Kunststoff ausgebildet sein.
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Das Gegenkontaktelement weist einen Gegenkontaktabschnitt 310 mit einer Gegenkontaktabschnittsoberfläche 318 auf. Der Gegenkontaktabschnitt 310 ist im Inneren des buchsenförmig ausgebildeten Gegenkontaktelements 300 mit quer zur Einsteckrichtung 280 nach innen ragenden, federnden Elementen 312 gestaltet. Die federnden Elemente 312 können als Kontaktlamellen 314 ausgebildet sein und sind elastisch derart in Richtung des Pfeils 290 quer zur Einsteckrichtung 280 nach innen wirkend vorgespannt, dass sie bei eingestecktem Kontaktelement 100 eine Kontaktkraft FC auf das Kontaktelement 100 ausüben können. So bewirken sie einerseits eine mechanische Fixierung des Kontaktelements 100 im Gegenkontaktelement 300 und können andererseits den elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktelement 100 und dem Gegenkontaktelement 300 herstellen. Die Kontaktkraft FC wirkt dabei in Richtung des Pfeils 290 quer zur Einsteckrichtung 280. Durch die federnde Vorspannung der federnden Elemente 312 bzw. der Kontaktlamellen 314 wird beim Einsteckvorgang des Kontaktelements 100 in das Gegenkontaktelement 300 eine Steckkraft FI gemäß der Gleichung FI = FC·µ bewirkt, wobei µ den Haftreibungskoeffizienten zwischen der ersten Oberfläche 212 des Kontaktkörpers 200 des Kontaktelements 100 gegenüber der Gegenkontaktabschnittsoberfläche 318 des Gegenkontaktabschnitts 310 bzw. der Kontaktlamellen 314 darstellt. Die Gegenkontaktabschnittsoberfläche 318 ist bevorzugt als metallische Oberfläche, beispielsweise aus Zinn, Silber, Gold oder anderen Metall ausgebildet.
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Die 3a zeigt einen Zustand beim Einsteckvorgang des Kontaktelements 100 in das Innere des Gegenkontaktelement 300 zu einem Zeitpunkt, zu dem der erste Abschnitt 210 des Kontaktelements 100 gerade eben die quer zur Einsteckrichtung 280 in der Richtung des Pfeils 290 nach innen ragenden federnden Elemente 312 bzw. Kontaktlamellen 314 berührt. In diesem Zustand ist bei einer elektrisch isolierend ausgebildeten ersten Oberfläche 212 des ersten Abschnitts 210 des Kontaktkörpers 200 des Kontaktelements 100 in vorteilhafter Weise noch kein elektrischer Stromfluss möglich. So wird beispielsweise ein unerwünschter bzw. unbeabsichtigter Potenzialausgleich zwischen dem Kontaktelement 100 und dem Gegenkontaktelement 300 zunächst noch verhindert.
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Wird ausgehend von diesem Zustand das Kontaktelement 100 weiter in Einsteckrichtung 280 ins Innere des Gegenkontaktelements 300 verlagert, so muss die Steckkraft FI überwunden werden. Diese ist unmittelbar nach Beginn der Bewegung am Höchsten, da dann die Haftreibung zwischen der ersten Oberfläche 212 des ersten Abschnitts 210 des Kontaktelements und der Gegenkontaktabschnittsoberfläche 318 der federnden Elemente 312 bzw. der Kontaktlamellen 114 überwunden werden muss. Beim weiteren Einstecken reduziert sich die Steckkraft, da die Bewegung in eine Gleitbewegung übergeht, für die ein gegenüber dem Haftreibungskoeffizienten (µ) geringerer Gleitreibungskoeffizient mit der Kontaktkraft FC multipliziert werden muss.
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Das Erstabschnittsmaterial 216 der ersten Oberfläche 210 ist dabei derart gewählt, dass bezüglich der Gegenkontaktabschnittsoberfläche 318 ein Haftreibungskoeffizient (µ) von weniger als 0,05, bevorzugt von weniger als 0,02 erzielt wird. Auf diese Weise lässt sich die maximale Steckkraft möglichst gering halten.
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In 3b ist die Steckverbinderanordnung 400 aus 3a in einem Zustand dargestellt, bei dem das Kontaktelement 100 weiter ins Innere des Gegenkontaktelement 300 entlang der Einsteckrichtung 280 verlagert ist. Der Gegenkontaktabschnitt 310 bzw. die federnden Elemente 312 bzw. die Kontaktlamellen 314 sind in diesem Zustand vom wenigstens einen weiteren Abschnitt 220 des Kontaktelements 100 quer zur Einsteckrichtung 280 nach außen gedrückt und liegen dicht an der weiteren Oberfläche 222 des wenigstens einen weiteren Abschnitts 220 an. Die federnden Elemente 312 bzw. Kontaktlamellen 314 üben dabei die Kontaktkraft FC auf den Kontaktkörper 200 des Kontaktelements 100 aus. Da sowohl die federnden Elemente 312 bzw. Kontaktlamellen 314 als auch die weitere Oberfläche 222 des wenigstens einen weiteren Abschnitts 220 des Kontaktelements 200 elektrisch leitfähig ausgebildet sind ist dadurch ein elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktelement 100 und dem Gegenkontaktelement 300 hergestellt.
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In anderen, hier nicht dargestellten, Ausführungsbeispielen kann das Gegenkontaktelement 300 beispielsweise auch eine Leiterplatte sein und das Kontaktelement ein sich klammerförmig öffnender Direktsteckverbinder. In noch anderen Ausführungsbeispielen kann das Kontaktelement als hülsenförmiges Element ausgebildet sein, welches über ein stiftartig oder laschenartig ausgebildetes Gegenkontaktelement geschoben wird. In diesen, hier nicht dargestellten, Ausführungsbeispielen weist dann der erste Abschnitt 210 nach innen und die mit dem Erstabschnittsmaterial gestaltete erste Oberfläche 212 ist als eine nach innen, ins Innere derartiger Kontaktelemente weisende Oberfläche ausgebildet.
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In 3c ist ein Diagramm dargestellt, bei welchem die Steckkraft FI auf der y-Achse als Funktion eines Einsteckweges L auf der x-Achse dargestellt. Die Einsteckweg L entspricht dabei beispielsweise dem Weg, um den der vorderste Punkt des ersten Abschnitts 210 des Kontaktelements 100 ins Innere des Gegenkontaktelements 300 verlagert ist. Das Diagramm zeigt eine erste Kurve 600, die die Steckkraft FI in Abhängigkeit des Einsteckwegs l für ein herkömmliches Kontaktelement in ein Gegenkontaktelement 300 darstellt. Weiterhin ist eine zweite Kurve 610 dargestellt, welche die Steckkraft FI in Abhängigkeit des Einsteckwegs L für ein erfindungsgemäßes Kontaktelement 100 darstellt. Unterhalb des Diagramms sind schematisch die zu zwei Steckkraftpunkten gehörenden Einsteckzustände des Kontaktelements 100 in das Gegenkontaktelement 300 dargestellt.
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Nach Einführen des Kontaktelements 100 in das Gegenkontaktelement 300 ist zunächst keine oder nur eine geringe Steckkraft FI zu verzeichnen. Sobald der erste Abschnitt 210 des Kontaktelements 100 die federnden Elemente 312 bzw. Kontaktlamellen 314 berührt steigt die Steckkraft FI stark an, da nun zunächst die Haftreibung überwunden werden muss. Beim weiteren Einstecken werden die Kontaktlamellen 314 nach außen weggedrückt, bis sie ihre Endstellung erreichen, welche durch den weiteren Durchmesser (D) des wenigstens einen weiteren Kontaktabschnitts 220 des Kontaktelements 100 gegeben ist. Nach dem Anstieg der Kontaktkraft FI auf ihren Maximalwert, die maximale Steckkraft, welcher durch die Haftreibung bedingt ist, fällt die Steckkraft beim weiteren Einsteckvorgang ab und stabilisiert sich auf einem Niveau, welches durch die Gleitreibung der Kontaktlamellen 314 des Gegenkontaktelement 300 auf der weiteren Oberfläche 312 des Kontaktelements gegeben ist.
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In dem Diagramm wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Kontaktelement 100 eine erheblich reduzierte maximale Steckkraft gegenüber herkömmlichen Kontaktelementen aufweist. Dies wird durch das Erstabschnittsmaterial 216, mit dem die erste Oberfläche 212 gestaltet ist, bewirkt.
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Das vorgeschlagene Kontaktelement 100 bzw. die vorgeschlagene Steckverbinderanordnung 400 kann generell für alle Kontakte, Gegenkontakte bzw. Steckverbinderanordnungen eingesetzt werden, zum Beispiel für Buchsenkontakte, insbesondere für hochpolige Buchsenkontakten, Direktsteckverbinder oder Messerleistenkontakte. Sie sind z.B. ebenso für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen geeignet wie für die Anwendung beim Anschluss besonders sensibler Komponenten wie z.B. Sensoren oder anwenderspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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