DE3203893A1

DE3203893A1 - Elektrischer kontakt

Info

Publication number: DE3203893A1
Application number: DE19823203893
Authority: DE
Inventors: William F. Libertyville Ill. Storm
Original assignee: Cherry Electrical Products Corp
Current assignee: Cherry Corp
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1982-02-05
Publication date: 1982-10-28
Also published as: JPS57157409A; BR8201082A; GB2094062A; IT8247831A0; IT1154294B; US4399339A; FR2500955A1

Description

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Patentanwalt Dipl.-Ing. Walter Graf T.i«,62S703(,_u.d)

~ "^ . Poetscheck München 182326-804

Hypo-Bank München 3860043210 Deutsche Bank München 53103797

zugelassen beim Europaischen Patentamt - Bdmlttnd to the European Patent Olllce - Mandatalre aggre* aupree Γ Office European des Brevets

A-417

Elektrischer Kontakt ■

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kontakt, wie er gewöhnlich in .Schältern/ Relais oder dergl. verwendet wird. Solche elektrischen Kontakte können die verschiedenartigsten Formen besitzen, sie weisen ineist eine Kontaktfläche auf, die geeignet ist, wiederholt mit einem elektrisch leitenden Element in Kontakt gebracht zu werden um so einen elektrischen Kontakt zu schliessen oder zu öffnen.

Elektrische Kontakte dieser Art werden bisher meist aus einem zur· Gruppe der Edelmetalle gehörigen Material, beispielsweise Gold, Silber oder Platin,, hergestellt, da diese Metalle, sehr gute elektrische- Leitfähigkeitseigenschaften besitzen und relativ widerstandsfähig gegen Oxydation und Korrosion sind. Mit steigendem Preis für solche Edelmetalle wurde auch schon versucht, solche elektrische Kontakte aus Bimetall herzustellen. Bei solchen Bimetall-Kontakten besteht meist die eigentliche Kontaktoberfläche aus einem Edelmetall und der übrige Kontaktkörper, insbesondere der Kohtak-tschaft , mit dem dieser befestigt wird, besteht aus einem billigeren Metall, beispielsweise Kupfer.

Bei den inzwischen stark gestiegenen Kosten für Edelmetalle' ist es inzwischen ökonomisch ungünstig geworden, selbst für die Kontaktoberfläche solcher Kontakte für viele An-

Wendungsfälle Edelmetalle zu verwenden. Alle bisherigen Versuche, elektrische Kontakte guter Qualität beispielsweise aus Kupfer oder anderen relativ billigen Metallen guter Leitfähigkeit herzustellen, ergab eine Reihe von neuen Problemen. Wird beispielsweise Kupför oder ein anderes solches Material der Umgebungsluft ausgesetzt, so bildet sich relativ schnell eine Oxydschicht. Dieses Oxyd ist ein vergleichsweise schlechter elektrischer Leiter und wirkt als Isolierschicht zwischen der Kontaktoberfläehe des Kontakts und dem zugehörigen elektrisch leitendem Element, mit dem der Kontakt wiederholt in Kontakt gebracht werden soll.

Um diese Oxydation so gering wie möglich zu halten, ist es auch schon bekannt, ein korrosionshommendes Fett oder Schmiermittel auf der Kontaktoberfläche eines solchen Kontakts aufzubringen. In bestimmten Anwendungsfallen ist dies auch hilfreich, solche Mittel wirken j.edoch nicht in allen Anwendungsfallen. Es besteht beispielsweise unter verschiedenen Betriebsbedingungen die Gefahr, dass das Schmiermittel durch die wiederholte Kontaktgabe von der Kontaktfläche wieder abgewischt wird und sich dann wieder ungehindert das Oxyd bilden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Kontakt aufzuzeigen, der diese Nachteile vermeidet und der sehr ökonomisch herstellbar ist, eine lange Lebensdauer besitzt, sehr betriebssicher ist und leicht zusammengebaut werden kann und der trotzdem über lange Zeit hinweg gute elektrische Kontakteigenschaften besitzt. Ausserdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines solchen Kontakts aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen elektrischen Kontakt nach den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere bezüglich einer einfachen Herstellung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemässen Kontakt besteht die eigentliche Kontaktfläche aus einer Vielzahl von verteilten Kontaktspitzen,, die jeweils den eigentlichen Druckkontakt mit dem Gegenkontakt bilden und diese Vielzahl von Spitzenkontakten gewährleisten einen guten elektrischen Stromübergang.

Die dazwischenliegenden Poren können mit einer korrosions-• hemmenden bzw. einer die Bildung von elektrischen Funken verhindernden Flüssigkeit gefüllt werden und diese Flüssigkeit kann aus den Poren zur Kontaktoberfläche gelangen, wenn die Kontaktspitzen dieser Oberfläche sich im Laufe der Zeit durch die Kontaktgabe abnutzen oder abbrechen. Bei einem erfindungsgemässen Kontakt wird also die korrosionshemmende Flüssigkeit von selbst zur Kontaktoberfläche gebracht, und zwar immer gerade soviel, wie gerade gebraucht wird. Diese Flüssigkeit verhindert die Ausbildung einer'Oxydschicht und damit die Unterbrechung des Kontaktweges zwischen der Kontaktoberfläche und dem Gegenkontakt, sie verhindert auch die Ausbildung von Funkenstrecken zwischen den Kontakten. Kin erfindundungsgemässer Kontakt kann sehr einfach und billig aus unedlem Metall beispielsweise durch Sintern hergestellt werden und besitzt trotzdem extrem gute elektrische Eigenschaften, wie sie bisher nur durch Edelmetall-Kontaktoberflächen erreicht werden konnten. Die Herstellung kann sehr einfach und billig in Massenproduktion erfolgen, beispielsweise dadurch, dass die aus Sintermaterial hergestellten Kontaktkörper einfach in ein Bad einer korrosionshemmenden Flüssigkeit eingetaucht

und einem Vakuum ausgesetzt werden, so dass die Luft in den Poren des Sintermaterials schliosslich im wesentlichen vollständig durch diese Flüssigkeit ersetzt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig.1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemässen elektrischen Kontakt
10

Figuren 2, 2A und 2B zeigen in stärkt vergrössertem Maßstab jeweils Schnittbilder längs der Linien 2-2 nach Fig.1, und zwar im Detail jeweils die Kontaktoberfläche mit den Poren

Figuren 2 und 4 zeigen einen elektrischen Schalter aufgebaut mit einem erfindungsgemässen elektrischen Kontakt in der Ein- und Aus-Schaltstellung

Fig.5 zeigt das Blockdiagramm eines möglichen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemässen Kontakts

Fig.1 zeigt einen elektrischen Kontakt 10, dessen Schaft eine Kontaktfläche 11 aufweist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht sowohl der Schaft T5 als auch die Kontaktfläche 11 aus einem leitenden Metall wie Kupfer. Das Kupfer kann auch mit einem Härtezusatz legiert sein, beispielsweise mit Indium, Kobalt, Titan oder degl. Der elektrische Kontakt 10 braucht notwendigerweise nicht aus einem Metall aus der Gruppe der Edelmetalle hergestellt sein, beispielsweise Gold, Silber oder Platin, obwohl es für bestimmte Zwecke dem Fachmann freisteht, den Kontakt aus einem solchen Edelmetall herzustellen. Wegen der relativ hohen Kosten für solche Edelmetalle wird der elektrische Kontakt vorzugsweise aus einem anderen Material als einem

solchen Edelmetall hergestellt, wodurch die Herstellung solcher Kontakte wesentlich ökonomischer wird.

Fig.2 zeigt in' stark vergrössertem Maßstab schematisch einen Teil des Kontakts 10, und zwar im Bereich der Kontaktfläche 11. Der Kontakt 10 ist vorzugsweise durch Sintern aus einzelnen Teilchen oder Körnchen 13 eines Kupferpuders hergestellt. Die Kontaktoberfläche 11 ist daher durch herausragende Erhebungen bzw. Spitzen oder Höcker gekennzeichnet, die durch die gesinterten Körnchen 13 auf der Oberfläche.entstehen.

Der Sintervorgang wird in bekannter Weise■ausgeführt. Eine Möglichkeit besteht darin, das Kupferpulver so zusammenzupressen, dass eine genügende interne Erwärmung entsteht, durch welche'das Zusammenschweissen der Körnchen eintritt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Pulver so stark zu erhitzen, dass das Zusammenschweissen eintritt. Eine dritte Möglichkeit ist, den Druck und die Erwärmung kombiniert anzuwenden. Ein solcher Sintervorgang ergibt in typischer Weise einen porösen Kontaktkörper 10, der charakteristische. Lufttaschen oder Poren 12 besitzt. Die Grosse dieser Poren 12 und die Porosität des Kontakts 10 kann durch die Körnchengrösse, .den Sinterdruck und/oder die Sintertemperatur bestimmt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurden Körnchengrössen im Bereich zwischen 0,.147 bis 0,043 mm (100 bis 325 mesh) mit einer typischen Siebanaly.se benutzt, die folgende Mischung ergab: 0,147 mm (100 mesh) - 1%; 0,147 bis 0,104 mm Korngrösse (100 bis 150 mesh) - 9,6%; 0,104 bis 0,074 mm Korngrösse (150 bis 2,00 mesh) - 22,4%; 0,07.4 bis 0,043 mm (200 bis 325 mesh) 25,4%, über 0,043 mm Korngrösse' (325 mesh) - 42,5%. Vorzugsweise wird ein Druck zwischen 2250 und 3000 kp/cm² (15 bis 20 Tonnen pro inch²) und eine Sintertemperatur zwischen 840 und 890⁰C (1550° bis 1620⁰F) angewendet. Dies

ergibt einen Kontakt 10, bei welchem 70 bis 80% des Volumens aus Körnchen 13 und der Rest des Volumens aus Poren 12 besteht. Dies ist natürlich nur ein. mögliches Beispiel für die Herstellung des Sintermaterials. 5

Aus Fig. 2A ist ersichtlich, dass die Kontaktfläche 11 nicht eben ist sondern tatsächlich aus Spitzen bzw. Vorsprüngen besteht, welche die oberste Schicht der Körnchen 13 bilden. Diese Vorsprünge ergeben vorteilhafte Spitzen bzw. Bereiche hohen Druckes, wenn der Kontakt mit einem Gegenkontakt in Verbindung gebracht wird. Dies gewährleistet wiederum einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktelement und der Kontaktoberfläche 11 und ein solcher Kontakt ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber den Flächenkontakten, wie sie bisher bei solchen Kontakten üblich sind.

Fig. 2A zeigt, dass die Poren 12 des Kontaktes 10 mit einer korrosionshemmenden Flüssigkeit 14 imprägniert sind. Diese Flüssigkeit kann von bekannter Art sein, beispielsweise eine Flüssigkeit, wie sie von der Firma Kaig Laboratories unter der Handelsbezeichnung Cramolin vertrieben wird. Die Flüssigkeit 14, die in den Poren durch Oberflächenspannung gehalten wird, kann auch die oberste Schicht der Körnchen 13 einschliesslich der dort vorhandenen Vorsprünge überdecken .

Durch die wiederholte Kontäktgabe zwischen der Kontaktfläche 11 des Kontakts 10 mit dem Gegenkontakt wird die Flüssigkeit 14, die ursprünglich auf die oberste Schicht der Körnchen 13, welche die Kontaktfläche 11 bilden₍aufgebracht wurde, weggewischt werden. Die wiederholte Kontaktgabe wird ausserdem allmählich die Vorsprünge, die von der ursprünglichen Kontaktfläche 11 nach oben abstehen, abbre-

chen oder abnutzen, so dass schliessliche eine neue Kontaktfläche 11a nach Fig. 2B entsteht. Wenn dies eintritt, werden jedoch Poren, die bisher nicht offen sondern verdeckt gegenüber der ursprünglichen Kontaktfläche 11 waren, zur neuen Kontaktfläche 11a hin freigelegt. Die Flüssigkeit 14, die in diesen Poren zurückgehalten wurde, wird i! dadurch frei und kann auf die Kontaktoberfläche 11a austreten. Dies·bedeutet eine Art Selbsterneuerung von Flüssigkeit 14 auf der Kontaktoberfläche 11a. Dadurch wird eine Korrosion der Kontaktoberfläche 11 bzw. der neugebildeten Kontaktfläche 11a verhindert.

Figuren 4 und 5 zeigen am Beispiel eines einfachen Schalters 20 eine Möglichkeit für die zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemässen Kontaktes 10. Fig.4 zeigt dabei die Schließstellung des Schalters 20, Fig.5 die Offenstellung. Der Schalter 20 besteht aus einem Gehäuse 21, in dessen Oberseite 23 in einer Öffnung 22 ein Druckknopf 30' angeordnet ist. Der Druckknopf 30 wirkt über ein unter Federvorspannung stehendes Teil 31 auf eine Schaltzunge 40, auf welcher der elektrische Kontakt 10 befestigt ist. In den Seitenwänden 24, 25 sind ins Gehäuseinnere führende Kontaktanschlüsse 41, 42 angeordnet. Das Element 41 steht in ständigem Kontakt mit der Schaltzunge 40 über einen Verbindungsstreifen 44. In der Schließstellung nach Fig.4 steht das Kontaktelement 42 mit der Oberfläche des Kontakts 10 in leitender Verbindung. Das Element 42 ist daher mit dem Element 41 elektrisch über den Kontakt 10, die Kontaktzunge 40 und den Streifen 44 verbunden.

In der Schalter-Offenstellung nach Fig. 5 ist dagegen die Kontäktflache des Kontaktes 11 ausser Berührung mit dem Element 42, die -elektrische Verbindung zwischen den Elementen 41 und 42 ist daher unterbrochen.

Figuren 4 und 5 zeigen, dass der Übergang zwischen Offenstellung und Schließstellung oder umgekehrt einfach durch Niederdrücken des Knopfes 30 erfolgt, wodurch die Zunge 4 0 mit dem darauf angebrachten Kontakt 10 nach, oben oder unten bewegt wird. Die Kontaktflache des Kontakts 10 tritt daher wiederholt in Berührung mit dem Element 42. Diese wiederholte Kontaktgabe kann natürlich nicht nur durch die Bewegung des Kontaktes 10 nach diesem Ausführungsbeispiel erfolgen sondern auch durch Bewegung des Elementes 41 oder durch jede andere mechanische Bewegung der Kontaktteile.

Ein mögliches Verfahren zur Herstellungeihes eines Kontaktes Ί0 ist schematisch in Fig.5 dargestellt. Ein oder mehrere, vorzugsweise hundert oder tausend von gesinterten Kontaktkörpern der oben beschriebenen Art werden in einen Behälter, beispielsweise ein Vakuumgefäss (nicht darge-· stellt) eingebracht. Durch ein Reinigungsverfahren 51 werden die Kontaktkörper gereinigt und/oder entfettet. Die Reinigung kann beispielsweise mit Tri-Äthan oder einer ähnlichen Reinigungs- bzw. Entfettungs-Flüssigkeit durchgeführt werden, vorzugsweise bei etwa 82°C (+180⁰F), und zwar während einer Zeit von. etwa zwei Stunden.

Daraufhin wird in einem Arbeitsgang 52 das Reinigungsmittel wieder vollständig entfernt und es wird ein Vakuum von etwa 635 mm Quecksilbersäule (25 inch) für etwa zwei Stunden bei einer Temperatur vom 82⁰C aufrechterhalten. Nach diesem Absaugen und Entfernen des Reinigungsmittels findet ein Imprägniervorgang 53 statt. Während des Imprägnierens wird das Vakuum von etwa 635 mm Quechsilbersäule aufrechterhalten und das korrosionshemmende bzw. korrososionsverhindernde Fluid, das auf etwa 93°C (+200⁰F) erwärmt ist, wird zugeführt. Die Kontakte bleiben eingetaucht in dieser Flüssigkeit und bei diesem Druck für etwa

zwei Stunden. Wegen des Druckes innerhalb der Vakuumkammer wird die Flüssigkeit durch den porösen Kontaktkörper 10 in die. Poren 12· eingesaugt, dadurch wird die ursprünglich dort enthaltene Luft im wesentlichen ersetzt.

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In einem anschliessenden Trockenvorgang 54 werden die Kontakte aus der Vakuumkammer nach dem Imprägnieren (und vorzugsweise nach dem Abziehen von überschüssiger Flüssigkeit) herausgenommen und in einen Drahtkorb oder dgl. zum Abtropfen abgestellt. Das Abtropfen und Trocknen geschieht vorzugsweise etwa bei Raumtemperatur und etwa über 24 Stunden .

Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Kontakte besitzen neben ihren vorteilhaften ökonomischen und korrosionshemmenden Eigenschaften noch eine Reihe von zusätzlichen Vorteilen, einschliesslich der vorteilhaften Eigenschaft, dass eine Funkenbildung verhindert wird und dass eine Oxydbildung bzw. eine Sulfidbildung verhindert wird. Mit einem erfindungsgemässen Kontakt können beispielsweise Schalteinrichtungen aufgebaut werden, mit denen kleinere Stromverbraucher wie Relais, Solenoids, Schalteinrichtungen, Motore oder dgl. gesteuert werden können, und zwar als Ersatz für teure Edelmetallkontakte.

Claims

Patentansprüche

Elektrischer Kontakt, dadurch gekennzeichnet, dass seine Kpntaktfläche (11) durch Körnchen (13.) aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, und in mindestens einigen der dazwischenliegenden Poren (12) eine korrosionshenunende Flüssigkeit (14) enthalten ist.

2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus gesinterten Körnchen (13) besteht und seine Kontaktfläche (11) durch die offenporige Oberfläche dieses Sintermaterials gebildet ist, und in den Poren (12) dieses Sintermaterials die korrosionshemmende Flüssigkeit (14) enthalten ist.

3. Kontakt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionshemmende Flüssigkeit (14) durch Vakuumimprägnieren in die Poren

20 (12) eingebracht ist.

4. Kontakt nach Anspruch 1.bis 3, dadurch ge. kenn zeichnet, dass die korrosionshenunende Flüssigkeit (14) durch Oberflächenspannung in den Poren

25 (12) gehalten ist.

5. Kontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnchen (13) aus einem unedlen leitenden Metall bestehen.

6. Kontakt nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, d a jdurch · gekennzeichnet, dass die Körnchen (1-3) aus mit einem Härtezusatz legiertem Kupfer bestehen.

7. Kontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnchen (13) eine aus Spitzenvorsprüngen zusammengesetzte Kontaktfläche (11) mit vorstehenden Druckkontaktspitzen bilden.

8. Kontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermaterial so beschaffen ist, dass bei Abnutzung der Kontaktfläche (11a) stets neue Vorsprünge auf dieser Kontaktfläche entstehen·.

9. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontakts nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, 5 dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein poröser Kontaktkörper hergestellt wird, dieser dann in eine korrosiorishemmende Flüssigkeit eingetaucht und einem solchen von dem atmosphärischen Druck abweichenden Druck ausgesetzt wird, dass die Luft in 0 den Poren des Kpntaktkörpers im wesentlichen durch korros ionshemmende Flüssigkeit ersetzt wird.

10. Verfahren .nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass .der Kontaktkörper nach dem Eintauchen in die korrosionshemmende Flüssigkeit einem Vakuum ausgesetzt wird.

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. Verfahren nach Anspruch 10 oder -11, dadurch

gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper
■ durch Sintern aus einem.Pulver aus elektrisch leitendem Material hergestellt wird.
". . ' '

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper vor dem Eintauschen.in die korrosionshemmende Flüssigkeit in einem Reinigungsbad gereinigt und die Reinigungsflüssigkeit dann wieder entfernt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vakuumbehandlung überschüssige korrosionshemmende

Flüssigkeit entfernt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet,' dass die Kontaktkörper in einen verschliessbaren Behälter gebracht, dann in diesen Behälter die korrosionshemmende Flüssigket eingebracht und anschliessend die Luft aus dem Behälter abgezogen wird und schliesslich überschüssige
Flüssigkeit aus dem Behälter entfernt wird.