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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein elektrische Verbindungsvorrichtungen
und insbesondere nachgiebige elektrische Verbindungsvorrichtungen.
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Nachgiebige
Verbinder, die eine elektrische Verbindung zwischen gegenüberliegenden
planaren Oberflächen
bereitstellen, sind bekannt und umfassen allgemein ein Elastomer-
oder Polymermaterial, das leitende Partikel umfasst, die in dem
Material angeordnet sind, um einen leitenden Pfad zwischen einer
ersten Oberfläche
und einer zweiten Oberfläche bereitzustellen.
In einer Version sind die Verbinder als längliche Säulen geformt, die einen leitenden Pfad
zwischen deren Endflächen
oder Oberflächen bereitstellen.
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Die
Schweizer Patentanmeldung
CH 570 712 offenbart
ein nachgiebiges leitendes Verbinderelement zum Bereitstellen einer
elektrischen Verbindung zwischen einer ersten Oberfläche und
einer zweiten Oberfläche.
Das Element umfasst einen Körper
aus leitendem Elastomermaterial mit einem ungleichmäßigen Querschnitt;
einer ersten Kontaktfläche
an einem Ende des Körpers;
und einer zweiten Kontaktfläche
an einem anderen Ende des Körpers. Der
Körper
hat eine sich verjüngende
Form und die erste Kontaktfläche
ist an dem kleineren Ende der Verjüngung.
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Solche
nachgiebigen Verbinder können
verwendet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen einer
gedruckten Schaltungsplatte und einem integrierten Schaltkreis oder
anderen Vorrichtungen bereitzustellen. Für eine solche Verwendung sind
die nachgiebigen Verbinder in einem Substrat in entsprechenden Öffnungen
angeordnet, die in einem vorgegebenen Muster angeordnet sind. Ein
sol ches Substrat kann die Schaltungsplatte selbst oder ein separates
Substrat sein, das an einer Schaltungsplatte befestigbar ist. Der
integrierte Schaltkreis oder die andere Vorrichtung hat ein Feld
von Kontakten, das mit dem Muster der nachgiebigen Verbinder korrespondiert,
die in dem Substrat angeordnet sind. Der integrierte Schaltkreis
oder die andere Vorrichtung wird in dem Substrat angeordnet durch
Ausrichten der Kontakte mit den nachgiebigen Verbindern, Aufbringen
einer Kraft gegen den integrierten Schaltkreis oder die Vorrichtung,
so dass die nachgiebigen Verbinder gegen die Kontakte gedrückt werden,
und dann Sichern des integrierten Schaltkreises oder der Vorrichtung,
um die beabsichtigte Kontaktkraft aufrecht zu erhalten.
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Komplikationen
können
auftreten, wenn ein relativ großes
Feld aus nachgiebigen Verbindern eingesetzt wird. Weil jeder nachgiebige
Verbinder bis zu einem ausreichenden Grad abgelenkt werden muss, um
eine elektrische Verbindung aufzubauen und aufrecht zu erhalten,
erhöht
sich der Betrag der Kraft, die erforderlich ist, um den integrierten
Schaltkreis oder die andere Vorrichtung auf der gedruckten Schaltungsplatte
aufzusetzen, proportional zu der Anzahl an eingesetzten nachgiebigen
Verbindern. Der Betrag der erforderlichen Kraft kann für den Zusammenbau
nachteilig sein. Wenn die Anzahl an eingesetzten Verbindern erhöht wird,
gibt es des Weiteren ein steigendes Risiko, dass nicht mit allen
Verbindern eine befriedigende Verbindung aufgebaut werden kann, insbesondere
dort, wo eine passende Schaltplattenoberfläche krumm oder unregelmäßig ist.
In einigen Fällen
werden die beständigen
Verbinder nicht ausreichend komprimiert, um einen elektrischen Kontakt oder
einen ordnungsgemäßen elektrischen
Kontakt herzustellen, während
in anderen Fällen
die nachgiebigen Verbinder übermäßig komprimiert
werden, so dass eine Fehlausrichtung auftreten kann. Die Fehlausrichtung
eines nachgiebigen Verbinders und eines passenden Kontakts kann
in einem ungeeigneten Eingriff des Verbinders in einen benachbarten Kontakt
resultieren oder einen oder mehrere Kontakte kurzschließen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nachgiebige elektrische Verbinder gemäß Anspruch 1
bereitgestellt. Der uneinheitliche Querschnitt erreicht einen erhöhten Betrag
an Ablenkung und eine vorgegebene Beziehung zwischen einer Kompressionskraft
und einer Ablenkung des Verbinders und zwischen einem Widerstand
als einer Funktion der Ablenkung. Eine kleinere Querschnittsfläche reduziert
die Federzahl oder Kompressionskraft des Verbinders während der
Kompression. Ein erhöhter
Betrag an Ablenkung und eine reduzierte Federzahl ermöglichen
eine verbesserte Kompensation von Oberflächenunregelmäßigkeiten
und vereinfacht ein Anbringen des integrierten Schaltkreises oder
anderer Vorrichtungen mit großen
Feldern von Verbindern. Der ungleichmäßige Querschnitt wird durch eine
zusammengesetzte Neigung oder alternativ durch eine nichtlineare
Kurve von dem Ende des kleineren Querschnitts zu dem Ende des größeren Querschnitts
bereitgestellt.
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Verschiedene
Ausführungsformen
werden hier offenbart, die Formen von sich verjüngenden Säulen mit einer Kontur haben,
die einer Vielzahl von geraden Linien mit verschiedenen Winkeln
folgt, und einer Kontur, die einer Kurve folgt. Ein leitendes Material,
das verwendet wird, um den Verbinder zu fertigen, wie zum Beispiel
ein Polymermaterial mit leitenden Partikeln, bietet die notwendige
Leitfähigkeit
zwischen den entgegengesetzten Enden des Verbinders. Das Ende des
Verbinders mit dem größeren Querschnitt
bietet eine Basis zur Anbringung an einer festen Kontaktfläche, wie
zum Beispiel einer Schaltungsplatte oder einer Fassung, während das
Ende mit dem kleineren Querschnitt ein Kontaktende zum Kontaktieren
eines leitenden Bereichs oder eines Anschlusses auf der passenden
Vorrichtung bereitstellt. Die breitere Basis stabilisiert den Verbinder
und hält eine
Ausrichtung des Kontaktendes aufrecht, um eine seitliche Bewegung
des Verbinders zu minimieren, um zu verhindern, dass benachbarte
Verbinder sich kontak tieren oder einen falschen leitenden Bereich
auf der passenden Vorrichtung kontaktieren.
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Die
vorliegende Erfindung bietet auch eine elektrische Verbindervorrichtung
gemäß Anspruch
4.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird im Hinblick auf die detaillierte Beschreibung der
Erfindung und die Zeichnungen besser verstanden, in welchen:
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1a ist
eine Seitenansicht, die nachgiebige elektrische Verbinder illustriert;
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1b ist
eine Seitenansicht, die die Verbinder der 1a in
einem abgelenkten Zustand illustriert;
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1c ist
eine Seitenansicht, die Kontaktbereiche illustriert, die an einer
unebenen Kontaktoberfläche
befestigt sind;
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2a ist
eine bildhafte Ansicht eines nachgiebigen leitenden Verbinders;
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2b ist
eine Seitenansicht des Verbinders der 2a;
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2c ist
eine Kurve der Widerstand-gegen-Auslenkungs-Charakteristik des Verbinders
der 2a und 2b;
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2d ist
eine Kurve der Kraft gegen die Auslenkung für den Verbinder der 2a und 2b;
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3a ist
eine bildhafte Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung;
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3b ist
eine Seitenansicht der Ausführungsform
der 3a;
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3c ist
eine Kurve des Widerstandes gegen die Auslenkung für die Ausführungsform
der 3a und 3b;
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3d ist
eine Kurve der Kraft gegen die Auslenkung für die Ausführungsform der 3a und 3b;
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4a ist
eine bildhafte Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4b ist
eine Seitenansicht der Ausführungsform
der 4a;
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4c ist
eine Kurve des Widerstandes gegen die Auslenkung für die Ausführungsform
der 4a und 4b;
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4d ist
eine Kurve der Kraft gegen die Auslenkung für die Ausführungsform der 4a und 4b;
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5a ist
eine bildhafte Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit
einer gekrümmten
Wand;
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5b ist
eine Seitenansicht der Ausführungsform
der 5a;
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6 ist
eine Ausschnittsseitenansicht eines Paares von Verbindern;
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7a illustriert
eine doppelendige Version einer nachgiebigen Verbinders;
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7b ist
eine Ausschnittsansicht des Verbinders der 7a, die
in einem Substrat befestigt ist;
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7c ist
eine bildhafte Ansicht des Verbinders der 7a, die
in einem Substrat befestigt ist;
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8a ist
eine Ausführungsform
einer doppelendigen Version der Erfindung;
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8b ist
eine Querschnittsseitenansicht der Ausführungsform der 8a;
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8c ist
eine Querschnittsseitenansicht der Ausführungsform der 8a,
die in einem Substrat befestigt ist;
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8d ist
eine bildhafte Ansicht der Ausführungsform
der 8a, die in einem Substrat befestigt ist;
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9a ist
eine bildhafte Ansicht von noch einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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9b ist
eine Querschnittsseitenansicht der Ausführungsform der 9a;
und
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9c ist
eine Querschnittsseitenansicht der Ausführungsform der 9a,
die in einem Substrat befestigt ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf 1a sind nachgiebige elektrische Verbinder 10 auf
einem Substrat 11 befestigt, wie zum Beispiel auf einer
gedruckten Schaltungsplatte zum Bereitstellen einer elektrischen
Verbindung zwischen leitenden Flächen
auf dem Substrat 11 und leitenden Flächen 12 auf einem
integrierten Schaltkreis oder einer anderen Vorrichtung 14. Jeder
Verbinder 10 ist aus einem nachgiebigen nicht leitenden
Material, wie zum Beispiel ein Polymermaterial, mit leitenden Partikeln
gebildet, die darin verteilt sind, um ein beabsichtigtes Niveau
an Leitfähigkeit
bereitzustellen. Jeder Verbinder umfasst einen Körper 16 aus einer
kegelstumpfförmigen
Form mit einem oberen Bereich von geringerem Durchmesser, der in
einer Kontaktoberfläche 18 endet,
und einem größeren Basisbereich,
von welchem sich ein Befestigungsschaft 20 erstreckt. Der
Befestigungsschaft 20 ist in ein Loch eingesetzt, das in
dem Substrat 11 bereitgestellt ist, und die untere Oberfläche des
Körpers 10 ist
auf der konfrontierenden Oberfläche
des Substrats angeordnet, die das Loch umschließt. Der Schaft 20 ist
im Verhältnis
zu dem entsprechenden Loch dimensioniert, um eine Presspassung in
dem Loch zum Festhalten des Körpers 10 an
dem Substrat zu haben. Das Substrat hat leitende Flächen 22 auf
einer von dessen Oberflächen,
auf welcher die untere Oberfläche
des Körpers 16 in
mechanischem und elektrischem Kontakt unterstützt wird. Die Befestigungslöcher in
dem Substrat können
beschichtete Wände
haben, um auch den Schaftabschnitt des darin angeordneten Verbinders
elektrisch zu kontaktieren. Vorzugsweise ist der Körper chemisch
an den leitenden Flächen
des Substrats oder des beschichteten Lochs gebunden, um einen guten
elektrischen Verbinder bereitzustellen.
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Der
Aufbau der nachgiebigen elektrischen Verbinder kann aus verschiedenen
leitenden nachgiebigen Mischungen bestehen, zum Beispiel einem thermoplastisches
Elastomer mit darin angeordneten Kohlenstoffpartikeln.
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In 1a sind
die Verbinder 10 illustriert, bevor sie in die passenden
Kontakte 12 elektrisch eingreifen. Um elektrisches einzugreifen,
werden die Verbinder mit den passenden Kontakten in Eingriff gebracht
und durch eine geeignete mechanische Befestigung in Kontakteingriff
gehalten, die üblicherweise
ein Teil einer Verbinderfassung ist, die eine Vielzahl von Konfigurationen
annehmen kann, die im Stand der Technik bekannt sind. Wenn sie in
Eingriff sind, werden die Verbinder 18 wie in 1b illustriert komprimiert,
um eine elektrische Verbindung zwischen Kontakten 12 des
integrierten Schaltkreises oder einer anderen Vorrichtung und den
Kontakten 22 des Substrats herzustellen.
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Die
nachgiebigen elektrischen Verbinder haben einen Ablenkungsbereich,
der ausreichend ist, um einen ordnungsgemäßen Kontakteingriff in die passenden
Kontakte zu bieten, ohne eine übermäßige Kraft
auf die Verbinder oder die passenden Kontakte auszuüben, die
schädliche
Resultate haben könnte,
wie zum Beispiel eine unerwünschte
laterale Ablenkung der Verbinder und eine Fehlausrichtung der Verbinder
in Bezug auf die passenden Kontakte. Der Abstand zwischen oberen
und unteren Kontakten, der durch die nachgiebigen Verbinder überbrückt wird,
kann aufgrund krummer oder unregelmäßiger Schaltungsplatten oder
anderer Substrate variieren, wie in 1c gezeigt.
Der obere Kontakt 12a ist von dem unteren Kontakt 22a durch
einen Abstand getrennt, der geringer ist, als der Abstand, der die
Kontakte 12b und 22b trennt. Der Unterschied im
Trennabstand kann zum Beispiel durch eine krumme oder gebogene Schaltungsplatte
bewirkt werden, so wie sie in übertriebener
Form durch das Bezugszeichen 24 bezeichnet wird.
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Der
Bereich einer Ablenkung, die durch den Verbinder der vorliegenden
Erfindung mit einem ungleichmäßigen Querschnitt
bereitgestellt wird, ist größer als
bei einem nachgiebigen Verbinder von gleichmäßigem Querschnitt, während ein
akzeptabler Umfang von Kompressionskräften zum Bereitstellen des Kontakteingriffs
aufrecht erhalten wird.
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Die
Höhe, die
Querschnittsfläche
und die Kontur des Verbinderkörpers
zwischen den oberen und unteren Kontaktoberflächen kann spezifiziert werden,
um eine beabsichtigte elektrischer-Widerstand-gegen-Ablenkung-Charakteristik
und eine beabsichtigte Kraft-gegen-Ablenkung-Charakteristik bereitzustellen.
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2a und 2b illustrieren
einen konisch geformten nachgiebigen elektrischen Verbinder, der ähnlich zu
demjenigen ist, der in 1 gezeigt ist. Die
Verjüngung
der konischen Oberfläche
und die Höhe
und Breite des Körpers
können
dimensioniert werden, um speziellen Betriebsanforderungen zu genügen. Eine
Radiusfläche 19 kann
sich mit dem Kontaktende 18 und dem sich verjüngenden
Körper
verbinden. Eine typische Widerstand-gegen-Ablenkung-Kurve für diese
Ausführungsform
ist in 2c gezeigt. Eine typische Kraft-gegen-Ablenkung-Kurve ist in 2d gezeigt.
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In
den 3a und 3b ist
ein nachgiebiger Verbinder mit einem kegelstumpfförmigen Körper mit
zwei verschiedenen Neigungen gezeigt. Der Körper 30 hat einen
größeren oberen
Abschnitt 32 mit einer Neigung und einen kürzeren unteren
Abschnitt 34 mit geringerer Neigung. Die zusammengesetzt
geneigten Oberflächen
des Verbinderkörpers 30 bieten eine
relativ steile Kraft-gegen-Ablenkung-Charakteristik,
wie in 3d gezeigt. Die in 3c gezeigte Widerstand-gegen-Ablenkung-Kurve
zeigt, dass der Widerstand von einem Anfangswert schnell zu seinem
Endwert steigt, mit einem relativ geringen Betrag an Ablenkung.
Die relativ breitere Fläche
des Basisabschnitts 34 des Körpers 30 bietet eine
stabile Verbinderstruktur, die eine relativ große Ablenkung ohne eine übermäßige einwirkende
Kraft aufnehmen kann.
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Ein
weiterer nachgiebiger Verbinder mit zusammengesetzt geneigten Oberflächen ist
in den 4a und 4b gezeigt,
bei welcher der obere Abschnitt 42 und der untere Abschnitte 44 ungefähr von gleicher
Höhe sind.
Die Widerstand- gegen-Ablenkung-Charakteristik
ist in 4c dargestellt und die Kraft-gegen-Ablenkung-Charakteristik
ist in 4d dargestellt.
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Eine
weitere Ausführungsform
des nachgiebigen Verbinders ist in den 5a und 5b gezeigt,
bei welcher der Verbinderkörper
eine gekrümmte
Oberfläche 45 hat,
die eine sanftere Kraft-gegen-Ablenkung-Charakteristik bietet und
die eine gleichmäßiger verteilte
Kraft innerhalb des Körpers
während
einer Kompression bietet.
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Ein
Paar von Verbindern kann auch in einer Öffnung eines Substrats bereitgestellt
werden und, wie in 6 gezeigt, in entgegengesetzten
Richtungen austreten. Die Basisfläche jedes Verbinders ist in elektrischem
Eingriff mit einem leitenden Oberflächenbereich auf dem Substrat.
Wie oben erwähnt wurde,
können
die Schaftabschnitte der Verbinder auch in elektrischem Eingriff
mit einer leitenden Wand eines beschichteten Durchgangslochs in
dem Substrat sein.
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Der
Verbinder kann auch in einer doppelendigen Version gebildet sein,
wie in 7a gezeigt ist. Jeder Abschnitt
des Verbinders ist von einer kegelstumpfförmigen Form. Der obere Abschnitt 70 endet in
einer Kontaktoberfläche 74 und
der untere Abschnitt 72 endet in einer Kontaktoberfläche 76.
Ein Zwischenabschnitt 78 ist von einer reduzierten Querschnittsfläche und
ist dimensioniert, um, wie in den 7b und 7c gezeigt
ist, in einer entsprechenden Öffnung
in einem Substrat 77 aufgenommen zu werden. Die sich verjüngenden
Körperabschnitte 70 und 72 verbinden
sich mit den Oberflächenbereichen durch
abgeschrägte
Zwischenperipherien 80 und 82. Die Widerstands-
und Kraftcharakteristika sind als eine Funktion der Auslenkung grundsätzlich ähnlich zu
den Charakteristikkurven, die in den 3c und 3d gezeigt
sind.
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Wie
in 7c gezeigt ist, sind die nachgiebigen Verbinder
typischerweise in einem Feld angeordnet, das auf einem Substrat
befestigt ist, welches dem Feld von Kontakten einer passenden Vorrichtung
entspricht.
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Die 8a und 8b zeigen
eine weitere doppelendige Version eines Verbinders, wobei diese Version
zusammengesetzte, sich verjüngende
Oberflächen
hat, ähnlich
mit der zusammengesetzten Version, die in den 3a und 4a gezeigt
ist. Wie in den 8c und 8d gezeigt
ist, sind diese sind auf einem Substrat ähnlich befestigt.
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In
den 9a und 9b ist
eine weitere Ausführungsform
gezeigt, bei welcher das obere Ende 90 der Verbindung größer ist
als das untere Ende 92. Das obere Ende 90 ist
von einer kegelstumpfförmigen
Form mit einer einzigen Neigung. Das untere Ende 92 hat
eine zusammengesetzte konische Neigung, die durch einen breiteren
Abschnitt 94 und einen schmaleren Abschnitt 96 definiert
ist. Die Verbindung ist auf einem Substrat befestigt, wie in 9c gezeigt
ist. Das obere Ende hat eine konische Kontaktfläche 92 und das untere
Ende hat eine ebene Kontaktfläche 99.
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Die
Verbinder können
individuell gegossen oder anderweitig gebildet werden und in entsprechenden Öffnungen
eines Substrats installiert werden, wie zum Beispiel durch Druck-Einpassen
der nachgiebigen Elemente in die Substratöffnungen. Alternativ können die
nachgiebigen Verbinder einteilig gegossen oder anderweitig in dem
Substrat gebildet werden, um ein Verbinderfeld einer beabsichtigten Ausgestaltung
für spezielle
Zwecke bereitzustellen.
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Die
Kontaktoberflächen
der Verbinder können,
wie oben gezeigt, von einer ebenen Ausgestaltung sein, oder können von
anderen Ausgestaltungen sein, um mit speziellen Typen von Kontakten
zusammenzupassen, wie zum Beispiel einer konischen Kontaktfläche, um
in einen Kugelkontakt eines Kugelgitterfelds ein zugreifen. Die nachgiebigen
Verbinderkontaktflächen
können
wie gewünscht
von anderen Formen sein, um speziellen Zwecken zu genügen.
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Mit
einer Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
werden weitere Ausführungsformen,
die Konzepte der Erfindung aufnehmen, dem Fachmann naheliegend erscheinen. Deshalb
sollte die Erfindung nicht als durch die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt
angesehen werden, sondern sollte eher als ausschließlich durch den
Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche beschränkt angesehen werden.