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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Sicherungen gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische
Sicherung gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 8.
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Ein bekanntes Verfahren, wie beispielsweise das
der Pfostenlötung
zur Verbindung eine Schmelzleiters mit Anschlußstiften, wurde in der Vergangenheit
insbesondere aufgrund hoher Fehleranfälligkeit weiterentwickelt.
Ein sehr zuverlässiges
Herstellungsverfahren wird anhand einer elektrischen Kleinstsicherung
mit einem isolierenden Körper
in der
DE 34 08 854 offenbart.
Danach wird der Schmelzleiter an abgeplatteten und mit einer länglichen
Ausnehmung versehenen Endbereichen abgelängter Anschlußstifte
gespannt, wobei in einem nachfolgenden Schritt aus diesen Endabschnitten durch
Biegen Ösen
um den Schmelzleiter herum zu dessen Fixierung ausgebildet werden.
Auf einen unter Zufuhr von Hilfsstoffen, wie beispielsweise Lötzinn und
Flußmittel,
durchgeführten
Lötschritt
folgend wird das überstehende
Schmelzleiter-Material durch spezielle ausgebildete Scheren oder
Messer abgeschnitten. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine sichere elektrische
und mechanische Verbindung zwischen dem Schmelzleiter und den Anschlußbeinen,
aber der Fertigungsaufwand ist relativ hoch.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine zugehörige Sicherung
sind aus wO 88/09048 A1 bekannt. Dort werden in einem ersten Verfahrensschritt die
Endbereiche des Anschlußstiftes
abgeflacht. Anschließend
werden die flachen Endbereiche zum Halten des Schmelzleiters um
den Schmelzleiter herumgebogen. Die Verbindung von Schmelzleiter
und Anschlußstiften
erfolgt schließlich
durch Verschweißen.
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Ausgehend von der WO 88/09048 A1
liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, sowohl das Verfahren
zur Herstellung als auch eine elektrische Sicherung so weiter zu
entwickeln, daß die
Fertigungskosten reduziert werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Sicherung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs B.
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In einem Verfahren zur Herstellung
elektrischer Sicherungselemente, wie z. B. einer Kleinstsicherung
der eingangs genannten Art, wird an in entsprechend abgelängten und
positionierten Anschlußstiften
ein Schmelzleiter durch gezielte Zufuhr thermischer Energie unter
Nutzung eines Lasers mit vorbestimmten Bereichen eines Anschlußstiftes
elektrisch leitend verbunden und daran dauerhaft befestigt. Der thermische
Energieinhalt eines Laserstrahls ist auch bei kurzen Pulsen aus
modernen Lasern so hoch, daß er
zu einer starken Erwärmung
in dem nahezu punktförmigen
Bereich seines Auftreffens führt.
So wird ohne Einsatz von Lötzinn
eine elektrisch und mechanisch dauerhafte Verbindung hergestellt,
die sich gegenüber
Lötverbindungen
besonders durch ihre Temperaturstabilität auszeichnet.
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Der Verbindungsbereich zwischen Anschlußstift und
Schmelzleiter wird durch die Prozeßführung sehr genau bestimmt,
so daß es
im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand der Technik sehr geringe
Variationen der Länge
des Schmelzleiters zwischen zwei Verbindungsstellen in einem Sicherungselement
gibt. Damit wird eine insgesamt sehr geringe Streuung der Sicherungswiderstände innerhalb
des Herstel lungsprozesses erreicht. Zudem werden mindestens die
Prozeßschritte
Einrollen und Löten
mit den darin enthaltenen Werkzeugen, Hilfsstoffen sowie maschinellen
Vorrichtungen eingespart, was neben der deutlichen Steigerung der
Fertigungsgenauigkeit eine Erhöhung
des Rationalisierungsgrades und der Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
gegenüber
bekannten Sicherungsherstellverfahren bewirkt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
kann der Laserstrahl daher in dem beabsichtigten Verbindungsbereich
auch vorteilhaft auf den hinter dem Anschlußstift angeordneten Schmelzleiter
gerichtet werden. Durch den Berührungskontakt
zwischen Schmelzleiter und Anschlußstift wird in ausreichendem
Maße thermische
Energie auch auf den Schmelzleiter übertragen. So ergibt sich durch
mindestens oberflächliches
Anschmelzen des Schmelzleiters eine dauerhafte mechanische und elektrisch leitende
Verbindung über
den gesamten Kontaktbereich, der insbesondere durch eine Stanzung
an dem Anschlußstift
genau definiert wird. Andere Einsatzmöglichkeiten werden nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
beschrieben.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung wird auch das Trennen des an der Verbindungsstelle
einseitig überstehenden
Schmelzleiters durch einen Laser durchgeführt. Lasertrennen ist auch
bei extrem kurzer thermischer Einwirkungszeit bei Mehrkomponentenschmelzleitern
einsetzbar, bei denen beispielsweise der Schmelzleiter in Form eines
oder mehrerer metallischer Drähte
um einen Seidenfaden oder einen Keramikkörper herumgewickelt ist. Durch die
starke Konzentration der Energie auf einen Durchtrennungsbereich
kann das Abtrennen sehr schnell durchgeführt werden, wodurch auch die
starke Erwärmung
lokal eng im Schmelzleiter begrenzt bleibt. Dadurch kann insbesondere
bei der Herstellung von Sicherungselementen mit träger Schaltcharakteristik
eine vorzei tige Alterung des Schmelzleiters im Bereich seines Hotspot,
dem gezielten Durchtrennungsbereich beim Abschalten des Sicherungselementes,
vermieden werden.
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Je nach Durchmesser und Materialbeschaffenheit
eines eingesetzten Schmelzleiters sowie des für das Herstellungsverfahren
zur Verfügung
stehenden Lasers wird das Trennen mit einem einzigen Laserpuls oder
aber einer schnellen Abfolge mehrerer, in einer Linie über den
Durchtrennungsbereich am Schmelzleiter geführter, Laserpulse durchgeführt. Zum
Trennen können
zusätzliche
Laser eingesetzt werden, wodurch nach dem Verbinden das Einstellen neuer
Laserstrahl-Positionen
eingespart werden kann. Durch den Einsatz handelsüblicher
Laser mit moderner Kalibrierungs- und Umlenkoptik sind beide Arten
der Trennung bei der Einrichtung einer Fertigungsstraße sowie
im Dauerbetrieb fast gleich wirtschaftlich.
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Vorteilhafterweise wird das Verbinden
des Schmelzleiters mit einem Anschlußstift sowie das Trennen des überstehenden
Schmelzleiters in einem Schritt durchgeführt. Dazu wird der Laserpuls
seitlich leicht gegenüber
dem Anschlußstift
versetzt gegen den Anschlußstift
und mindestens teilweise auch direkt gegen den Schmelzleiter gerichtet,
so daß zeitlich
genau aufeinanderfolgend erst ein Verbinden und dann ein Abtrennen
des Schmelzleiters durchgeführt
wird. In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder
Anspruch 4 werden die übrigbleibenden
Abschnitte des befestigten Schmelzleiters durch Druckluft von der
Verbindungsstelle direkt nach dem Einsatz des Laserpulses abgeblasen.
Unter Verwirklichung von Anspruch 5 ergibt sich somit ein gegenüber dem
Stand der Technik hinsichtlich der Sauberkeit der Trennstelle überlegenes
Herstellungsverfahren. Zudem arbeitet ein Lasertrennverfahren vergleichsweise
wartungsfrei, da an dem Trennwerkzeug im Gegensatz zu mechanischen
Vorrichtungen kein Verschleiß auftreten
kann. Das kontaktfrei durchgeführte
Trennen ermöglicht
auch das problemlose Verarbeiten extrem dünner Schmelzleiter, da Vibrationen
oder übermäßige mechanische Beanspruchung
des Schmelzleiters oder der Verbindungsstelle prinzipbedingt nicht
auftreten können.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird
vorteilhafter Weise im Vielfachnutzen durchgeführt, wobei Bestückungskassetten
zur Aufnahme der Anschlußstifte
verwendet werden. Diese Kassetten können einzeln oder zur weiteren
Produktivitätserhöhung in
kettenförmiger
Aneinanderreihung eingesetzt werden.
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Die Flexibilität des vorstehend beschriebenen
Verfahrens erlaubt auch, daß ein
rationelles und sicheres Verbinden des Schmelzleiters mit einem
Anschlußstift
durch Lasern nicht nur im unmittelbaren Endbereich des Anschlußstiftes
durchgeführt
wird. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können die
stiftförmigen
Anschlüsse
zwar zur Materialeinsparung in ihrer Länge prinzipiell reduziert werden,
wie ein Vergleich der nachfolgenden Ausführungsbeispiele mit den Abbildungen
aus der
DE 34 08 854
A1 und der WO 88/09048 A1 deutlich zeigen, bei Bedarf können die
Anschlußstifte
jedoch auch jenseits einer Verbindungsstelle unverändert weiterlaufen.
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Endprodukt eines der vorstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren
ist eine elektrische Sicherung aus einem isolierenden Körper und
zwei mindestens teilweise stiftförmigen
Anschlüssen,
die innerhalb des Körpers
elektrisch leitend mit mindestens einem Schmelzleiter durch Laserschweißung verbunden
sind, wobei der Schmelzleiter vorzugsweise durch Lasern abgelängt ist.
Eine derartige elektrische Sicherung wird als Gerätesicherung
in sehr hohen Stückzahlen
eingesetzt, so daß die
Verwirklichung der genannten Merkmale und die Nutzung der damit
verbundenen Einsparungspotentiale von großer wirtschaftlicher Bedeutung
sind.
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Nach dem Stand der Technik haben
sich elektrische Verbindungen dünner
Schmelzleiter an stiftförmigen
Anschlüssen
als besonders schwierig dargestellt, so daß im Rahmen dieser Erfindung
auch vorrangig auf derartige Verbindungen Bezug genommen wurde.
Darin ist jedoch keine Beschränkung
der Erfindung nur auf diesen Bereich zu sehen, da eine Übertragung
der Erfindung auf andere technische Anwendungsfälle mit ähnlichen Randbedingungen nahe
liegt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
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1a eine
Draufsicht auf einen Standard-Sockel einer Sicherung mit zwei Anschlußstiften
und dem skizzierten Verlauf eines Schmelzleiters;
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1b eine
Seitenansicht von 1a;
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1c eine
Skizze analog zu 1a unter Darstellung
einiger Fertigungsschritte;
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2a und 2b zu 1a und 1b analoge Abbildungen
unter Anpassung auf ein variiertes Verfahren und
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2c eine
skizzierte Darstellung einiger Fertigungsschritte.
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In 1a ist
ein Sockel 1 einer elektrischen Sicherung mit zwei Anschlußstiften 2 in
einer Draufsicht dargestellt, wie er beispielsweise bei der Gerätesicherung
TE5® als
Teil eines isolierenden Körpers eingesetzt
wird. Durch gestrichelte Linien ist in 1a auch ein Verlauf eines Schmelzleiters 3 eingezeichnet,
der auf jeweils in einem Endbereich 4 abgeplattete Flächen 5 der
Anschlußstifte 2 gelegt
wird. Die Fläche 5 weist
dabei eine beim Trennen der Anschlußstifte 2 durch Stanzen
definierte feste Breite b auf.
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Anhand der Seitenansicht der vervollständigten
Anordnung von 1a wird
in 1b der Zustand vor
dem Herstellen eines Verbindungsbereiches 6 zwischen einer
abgeplatteten Fläche 5 eines Anschlußstiftes 2 und
dem Schmelzleiter 3 dargestellt. Der Doppelpfeil zeigt
dabei die Richtung an, aus der in diesem Verfahren ein Laserstrahl
auf die beschriebene Anordnung gerichtet wird. Der Laserstrahl wird
dementsprechend auf den hinter dem Anschlußstift 2 (der abgeplatteten
Fläche 5 des
Anschlußstiftes 2)
angeordneten Schmelzleiter 3 gerichtet. Die hohe thermische
Energie des Laserstrahls erhitzt somit die Fläche 5 sehr stark.
Durch den Berührungskontakt
heizt sich auch der Schmelzleiter 3 in einem linienförmigen Bereich
soweit auf, daß dann
Anschlußstift 2 und
Schmelzleiter 3 hier miteinander verschmelzen. Durch eine
entsprechende Prozeßführung kann
also eine Verschmelzung und dadurch eine dauerhafte, elektrisch
leitende Verbindung zwischen Anschlußstift 2 und Schmelzleiter 3 erreicht
werden, die in ihrer Abmessung genau der Breite b der Fläche 5 entspricht.
Da der elektrische Widerstand des Schmelzleiters 3 wesentlich
höher als
der der Anschlußstifte 2 ist
und zudem ein Abstand d der Anschlußstifte 2 voneinander
beispielsweise hier durch den Sockel 1 immer konstant gehalten
wird, ergeben sich stets konstante freie Längen Δx. Also haben alle nach diesem
Verfahren hergestellten Sicherungen einen der Länge Δx entsprechenden elektrischen
Widerstand R. Die Variationen des Widerstands R, als ein Qualitätsmerkmal einer Sicherungsgruppe,
sind daher innerhalb des Herstellungsprozesses minimal.
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Aus Gründen der Arbeitssicherheit
ist es vorteilhaft, den Laserstrahl stets nach unten oder nach oben,
also in der Richtung der z-Achse zu richten. So wird der direkte
Laserstrahl immer in einer Absorbereinheit aufgefangen. Zudem kann
der Schmelzleiter 3 als gespannter Ein- oder Mehrkomponentendraht gleichzeitig
sehr einfach auf eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Sockel
1/Anschlußstifte
2 gelegt und damit bereits ausreichend positioniert werden.
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In 1c sind
zwei der Position des Doppelpfeils von 1b entsprechende Verbindungsstellen 6 mit
dem hinter den Flächen 5 verlaufenden Schmelzleiter 3 dargestellt.
Nach dem kurzen Laser-Schritt muß der zwischen den Anschlußstiften 2 liegende
Schmelzleiter von überschüssigem Material 7 an
den entsprechenden Seiten der Verbindungsstellen 6 abgetrennt
werden. Bei einer stets anzustrebenden Massenfertigung liegen die
fertig verbundenen Schmelzleiter sonst weiter in einer langen Reihe aneinanderhängend. Sie
können
in dieser Form nicht weiterverarbeitet werden, insbesondere kann
der jede einzelne Sicherung umgebende isolierende Körper nicht
geschlossen werden, was hier im Fall der Gerätesicherung TE5 durch Aufsetzen
einer verrastenden Kappe geschehen würde. Zur Vereinzelung der Sicherungen
sind daher Trennstellen 7, 8 nahe der Fläche 5 vorgesehen.
An der Trennstelle 7 wird der Schmelzleiter 3 durch
einen Laserpuls, an der Trennstelle 8 durch mehrere, linear
geführte
Laserpulse kontaktlos zertrennt. Die Auswahl der Art der Lasertrennung
erfolgt in Abhängigkeit
der Materialzusammensetzung des Schmelzleiters 3 und dessen Durchmesser.
Das beim Trennen anfallende überschüssige Material 9 wird
durch Preßluft
abgeblasen, so daß die
Trennstellen 7, 8 stets sauber sind und der nachfolgende
Fertigungsprozeß oder
die Qua lität
der Sicherungen nicht durch Verunreinigungen beeinträchtigt werden.
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Die in den 2a und 2b dargestellte
Anordnung aus Sockel 1 mit endseitig abgeplatteten Anschlußstiften 2 sowie
einem horizontal verlaufenden Schmelzleiter 3 stimmen prinzipiell
mit denen der 1a und 1b überein. Der Unterschied zwischen diesen
Ausführungsformen
liegt soweit nur darin, daß der
Laser in dem Bereich der späteren
Verbindungsstelle 6 direkt auf den Schmelzleiter 3 gerichtet wird,
wie in 2b schematisch
unter Verwendung des Doppelpfeils dargestellt ist.
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Anhand der Darstellung von 2c wird als weiterer Unterschied
zu 1c deutlich, daß nun der Laserstrahl
so zur Mitte der Flächen 5 nach
außen versetzt
eingerichtet wird, daß ein
Teil der Laserenergie ausschließlich
den Schmelzleiter 3 trifft und aufgrund der Kürze des
Laserimpulses auch nicht mehr über
die Flächen 5 zu
den Anschlußstiften 2 hin
abgeleitet werden kann. Die Erwärmung
wird daher so stark, daß der
Schmelzleiter 3 an den Stellen 10 direkt beim
Verbinden des Schmelzleiters 3 mit den Anschlußstiften 2 von überschüssigem Material 9 abgetrennt
wird. Somit ist hier gegenüber
dem voranstehend beschriebenen Verfahren noch ein weiterer Rationalisierungsschritt
durchgeführt
worden.
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Beiden Verbindungs- und/oder Trennverfahren
ist jedoch gemeinsam, daß aufgrund
der hohen Energiedichte moderner Laser die punktgenau positionierbare
Wärmeenergie
nur über
extrem kurze Zeitintervalle auf eine bestimmte Stelle einwirken
muß. Diese
Stelle erwärmt
sich quasi sofort soweit, daß die Bedingungen
für eine
optimale, dauerhafte Verbindung mit guten mechanischen und elektrischen
Eigenschaften gegeben sind. Eine leichte Erhöhung der Laserpulsdauer führt zum
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Verdampfen des Materials und somit
zu einem sauberen Trennen. In dem in 2c dargestellten
Verfahren wird die Tatsache vorteilhaft ausgenutzt, daß in sehr
kurzen Zeitabschnitten ein effektiver Abtransport der hohen Wärmeenergiemengen über weitere
Strecken auch in metallischen Medien nicht möglich ist. Jede thermisch bedingte
Materialänderung
des Schmelzleiters 3 wird so insbesondere in einem "Hot spot" 11 vermieden,
in dem sich der Schmelzleiter 3 beim Abschalten auftrennen
soll. Bei mangelnder Kühlung,
wie im Bereich des isoliert liegenden Schmelzleiters 3,
wird das Material daher getrennt. Im direkt angrenzenden Bereich,
dem Kontaktbereich zwischen Schmelzleiter 3 und Anschlußstift 2,
entsteht eine dem Elektroschweißen ähnliche Verbindungsstelle 6.