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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Dichtungen zur Bereitstellung
einer Abkapselung gegen die Umgebung und/oder einer Abschirmung
gegen elektromagnetische Störbeeinflussung
(EMI) und insbesondere eine EMI-Abschirmungsdichtung mit geringer
Schließkraft,
welche insbesondere zur Verwendung innerhalb kleiner Elektronikgehäuse, wie
beispielsweise Mobiltelefonen und anderen elektronischen Handgeräten, geeignet
ist, siehe zum Beispiel US-A-6121545.
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Der
Betrieb von elektronischen Geräten,
wie beispielsweise Fernsehern, Radios, Rechnern, medizinischen Instrumenten,
Büromaschinen,
Kommunikationseinrichtungen und dergleichen, wird durch die Erzeugung
von elektromagnetischer Strahlung innerhalb der elektronischen Schaltungsanordnung
der Einrichtung besorgt. Wie in US-Patent Nr. 5,202,536; 5,142,101;
5,105,056; 5,028,739; 4,952,448 und 4,857,668 genau beschrieben
wird, entwickelt sich diese Strahlung häufig als ein Feld oder als Übergänge innerhalb
des Hochfrequenzbandes des elektromagnetischen Spektrums, d.h. zwischen
etwa 10 KHz und 10 GHz, und wird als „elektromagnetische Störbeeinflussung" oder „EMI" bezeichnet, da sie
bekanntlich den Betrieb anderer in der Nähe befindlicher elektronischer
Geräte
störend
beeinflusst.
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Zur
Abschwächung
von EMI-Effekten kann eine Abschirmung mit der Fähigkeit, EMI-Energie zu absorbieren
und/oder zu reflektieren, eingesetzt werden, um sowohl die EMI-Energie
innerhalb eines Quellengeräts
einzuschließen
als auch um dieses Gerät
oder andere „Ziel"-Geräte von anderen
Quellengeräten
zu isolieren. Diese Abschirmung ist als eine Barriere vorgesehen,
welche zwischen der Quelle und den anderen Geräten eingefügt wird, und sie ist normalerweise
als ein elektrisch leitendes und geerdetes Gehäuse, welches das Gerät umschließt, ausgelegt.
Da die Schaltungsanordnung des Geräts für die Wartung oder dergleichen im
Allgemeinen zugänglich
bleiben muss, sind die meisten Gehäuse mit Zugängen, wie beispielsweise Türen, Luken,
Platten oder Abdeckungen, versehen, die geöffnet oder entfernt werden
können.
Doch selbst zwischen dem flachsten dieser Zugänge und seiner entsprechenden
dazupassenden oder genau anliegenden Fläche können Spalte vorhanden sein,
welche die Wirksamkeit der Abschirmung durch Aufweisen von Öffnungen, durch
welche Strahlungsenergie entweichen oder anderweitig in das Gerät eintreten
oder daraus austreten kann, verringern. Außerdem stellen solche Spalte
Unterbrechungen in der Oberflächen-
und Erdungsleitfähigkeit
des Gehäuses
oder einer anderen Abschirmung dar und können durch Funktionieren als
eine Form von Schlitzantenne sogar eine Sekundärquelle von EMI-Strahlung erzeugen.
In diesem Zusammenhang entwickeln Volumen- oder Oberflächenströme, welche
innerhalb des Gehäuses
induziert werden, Spannungsgradienten über alle Grenzflächenspalte
in der Abschirmung, wodurch diese Spalte als Antennen funktionieren,
welche ein EMI-Geräusch
ausstrahlen. Im Allgemeinen ist die Amplitude des Geräusches proportional
zur Spaltlänge,
wobei die Breite des Spalts eine weniger merkliche Wirkung hat.
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Um
Spalte innerhalb zusammenpassender Oberflächen von Gehäusen und
anderen EMI-Abschirmungsstrukturen auszufüllen, wurden Dichtungen und
andere Dichtverschlüsse
vorgeschlagen, um sowohl den elektrischen Durchgang über die
Struktur aufrechtzuerhalten als auch um solche Verunreinigungssubstanzen
wie Feuchtigkeit und Staub vom Innenraum des Geräts auszuschließen. Diese
Dichtverschlüsse
werden an eine der zusammenpassenden Oberflächen gebunden oder mechanisch
daran befestigt oder durch Pressen darin eingepasst und funktionieren,
um alle Grenzflächenspalte
zu schließen
und so einen kontinuierlichen Leitweg darüber herzustellen, indem sie
sich unter einem angelegten Druck an Unregelmäßigkeiten zwischen den Oberflächen anpassen.
Demgemäß sind Dichtverschlüsse, welche
für EMI-Ab schirmungsanwendungen bestimmt
sind, so vorgeschrieben, dass sie eine Konstruktion aufweisen, welche
nicht nur selbst unter Druck elektrische Oberflächenleitfähigkeit bereitstellt, sondern
welche auch eine Elastizität
aufweist, die es den Dichtverschlüssen erlaubt, sich an die Größe des Spalts
anzupassen. Die Dichtverschlüsse
müssen
außerdem verschleißfest und
wirtschaftlich herzustellen sein, sowie die Fähigkeit aufweisen, wiederholten
Druck- und Entspannungszyklen
standzuhalten. Für
weitere Informationen über
Spezifikationen für
EMI-Abschirmungsdichtungen kann auf Severinsen, J., „Gaskets
That Block EMI",
Machine Design, Band 47, Nr. 19, ff. 74 bis 77 (7. August 1975)
Bezug genommen werden.
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EMI-Abschirmungsdichtungen
sind normalerweise als ein elastisches Kernelement mit Spaltfüllfähigkeiten
aufgebaut, welches entweder mit einem elektrisch leitenden Element
gefüllt,
umhüllt
oder beschichtet wird. Das elastische Kernelement, welches geschäumt oder
ungeschäumt,
massiv oder röhrenförmig sein kann,
wird normalerweise aus einem elastomeren thermoplastischen Material,
wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder
einer Polypropylen-EPDM-Mischung, oder einem thermoplastischen oder wärmehärtbaren
Kautschuk, wie beispielsweise einem Butadien-, Styrol-Butadien-,
Nitril-, Chlorsulfonat-, Neopren-, Urethan- oder Siliconkautschuk,
gebildet.
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Leitende
Materialien für
das Füllmittel,
die Umhüllung
oder die Beschichtung umfassen Metalle oder metallisierte Partikel,
Stoffe, Netze und Fasern. Bevorzugte Metalle umfassen Kupfer, Nickel,
Silber, Aluminium, Zinn oder eine Legierung, wie beispielsweise
Monel, wobei bevorzugte Fasern und Stoffe Natur- und Kunstfasern,
wie beispielsweise Baumwolle, Wolle, Seide, Cellulose, Polyester,
Polyamid, Nylon und Polyimid, umfassen. Alternativerweise können andere
leitende Partikel und Fasern, wie beispielsweise Kohlen stoff und Graphit,
oder ein leitendes Polymermaterial als Ersatz dienen.
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Herkömmliche
Herstellungsverfahren für
EMI-Abschirmungsdichtungen umfassen Extrusion, Formen oder Stanzen,
wobei Formen und Stanzen für
besonders kleine oder komplexe Abschirmungsformen bisher bevorzugt
werden. In diesem Zusammenhang bezieht Stanzen das Bilden der Dichtung
aus einer ausgehärteten
Folie eines elektrisch leitenden Elastomers ein, welche unter Verwendung
eines Stanzwerkzeugs oder dergleichen zur gewünschten Form zugeschnitten
oder gestanzt wird. Formen wiederum bezieht Press- oder Spritzgießformen
eines ungehärteten
oder thermoplastischen Elastomers in die gewünschte Form ein.
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In
letzter Zeit wurde ein Am-Einsatzort-Formverfahren (FIP für engl.
form-in-place) zur Herstellung von EMI-Abschirmungsdichtungen vorgeschlagen.
Wie in den gemeinsam übertragenen
US-Patenten Nr. 6,069,413; 5,910,524 und 5,641,438 und der PCT-Anmeldung
WO 96/22672, und in US-Patent Nr. 5,882,729 und 5,731,541, sowie
der japanischen Patentschrift (Kokai) Nr. 7177/1993 beschrieben
wird, bezieht dieses Verfahren die Anwendung eines Strangs einer
zähflüssigen,
vernetzungsfähigen,
elektrisch leitenden Zusammensetzung ein, welche in einem fließenden Zustand
aus einer Düse
direkt auf die Oberfläche
eines Substrats, wie beispielsweise eines Gehäuses oder einer anderen Einfassung,
ausgegeben wird. Die Zusammensetzung, normalerweise ein silbergefülltes oder
anderes elektrisch leitendes Siliconelastomer, wird dann durch die
Zuführung
von Wärme
oder mit Luftfeuchtigkeit oder Ultraviolettstrahlung (UV) am Einsatzort
vernetzt, um eine elektrisch leitende elastomere EMI-Abschirmungsdichtung
in situ auf der Substratfläche
zu bilden.
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Eine
andere neue EMI-Abschirmungslösung
für Elektronikeinfassungen,
welche in den gemeinsam übertragenen
US-Patent Nr. 5,566,055 und
DE
19728839 näher
beschrieben wird, bezieht das Überformen des
Gehäuses
oder der Abdeckung mit einem leitenden Elastomer ein. Das Elastomer
wird in einer verhältnismäßig dünnen Schicht über die
Innenfläche
des Gehäuses
oder der Abdeckung und in einer verhältnismäßig dicken Schicht entlang
der Grenzflächenstellen
davon einstückig
geformt, wodurch sowohl ein dichtungsähnliches Verhalten zum dichten
Verschweißen
der Abdeckung am Gehäuse
als auch elektrischer Durchgang für die EMI-Abschirmung der Einfassung
bereitgestellt wird. Das Elastomer kann außerdem auf innere Trennwände der
Abdeckung oder des Gehäuses
geformt oder selbst so geformt werden, dass es einstückig solche Trennwände bildet,
wodurch elektromagnetisch isolierte Abteilungen zwischen einander
potenziell störend
beeinflussenden Schaltungskomponenten bereitgestellt werden. Abdeckungen
dieser Art werden durch die Chomerics EMC Division der Parker-Hannifin
Corporation (Woburn, MA) unter der Marke Cho-Shield
® im
Handel vertrieben.
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Noch
eine andere Lösung
zum Abschirmen von Elektronikeinfassungen und insbesondere der kleineren
Einfassungen, welche für
Mobiltelefone und andere elektronische Handgeräte typisch sind, betrifft die
Einbindung einer dünnen
Kunststoffhalteplatte oder ebensolchen Rahmens als ein Tragelement
der Dichtung. Wie in der gemeinsam übertragenen, ebenfalls anhängigen Patentanmeldung
U.S.S.N. 08/377,412, welche am 24. Januar 1995 eingereicht wurde,
kann das elektrisch leitende Elastomer geformt oder, wie in US-Patent
Nr. 5.731,541 beschrieben, am Einsatzort gebildet oder anderweitig
an den Innen- oder inneren Umfangskantenflächen und/oder den Flächen der
Ober- oder Unterseite des Rahmens angebracht werden. Mit diesem
Aufbau kann die Dichtungs- und Rahmeneinheit innerhalb des elektronischen
Geräts
eingebaut werden, um einen Pfad mit niedrigem Widerstand zum Beispiel
zwischen peripheren Erdleiterbahnen auf einer Leiterplatte des Geräts (PCB
nach engl. printed circuit board) und anderen Komponenten davon,
wie bei spielsweise der leitenden Beschichtung eines Kunststoffgehäuses, einer
anderen Leiterplatte (PCB) oder einer Tastaturfeldeinheit bereitzustellen.
Verwendungen für
die Einlegedichtungen der Art hierin umfassen EMI-Abschirmungsanwendungen
in digitalen Mobiltelefonen, Schnurlostelefonen und Handapparaten
für persönliche Kommunikationsdienste
(PCS für
engl. personal communications services), PC-Karten (PCMCIA-Karten),
globalen Navigationssystemen (GPS für engl. global positioning
systems), Funkempfängern
und anderen Handgeräten,
wie beispielsweise persönlichen
digitalen Assistenten (PDA). Andere Verwendungen umfassen als Ersatz
für Metall-„Zäune" von EMI-Abschirmungen
auf Leiterplatten (PB) in drahtlosen Telekommunikationsgeräten.
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Erfordernisse
für typische
Anwendungen in kleinen Einfassungen schreiben im Allgemeinen einen niedrigen
Widerstand und eine Flachverbindung vor, welche unter verhältnismäßig geringen
Schließkraftlasten,
z.B. etwa 0,2 bis 1,5 kg je cm (1,0 bis 8,0 lbs je Zoll) Dichtungslänge, biegungsfähig ist.
Für gewöhnlich ist
auch eine Mindestbiegung von normalerweise etwa 10 % vorgeschrieben,
um sicherzustellen, dass sich die Dichtung an das dazupassende Gehäuse oder
die dazupassenden Plattenflächen
genügend
anpasst, um einen elektrisch leitenden Pfad dazwischen zu entwickeln.
Es wurde jedoch festgestellt, dass die Schließ- oder andere Biegekraft, welche erforderlich
ist, um die vorgeschriebene Mindestbiegung von herkömmlichen
Profilen zu bewirken, für
gewisse Anwendungen größer sein
kann, als durch die konkrete Konstruktion der Gehäuse- oder
Leiterplatteneinheit ausgeglichen werden kann.
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Ein
Verfahren zum Erreichen einer Dichtungskonstruktion mit geringerer
Schließkraft,
welche insbesondere zur Verwendung in kleineren elektronischen Einfassungsanordnungen
geeignet ist, war, die Dichtung so auszubilden, dass sie ein periodisches „unterbrochenes" Muster von abwechselnden örtlichen
Maximal- und Minimalhöhen
aufwies. Herkömmlicher weise,
und wie in den gemeinsam übertragenen,
ebenfalls anhängigen
Patentanmeldungen U.S.S.N. 09/042,135, welche am 13. März 1998
eingereicht wurde, und U.S.S.N. 60/183,395, welche am 18. Februar
2000 eingereicht wurde, sowie in der technischen Publikation „EMI Shielding
and Grounding Spacer Gasket",
Parker Chomerics Division, Woburn, MA (1996), und der PCT-Anmeldung
98/54942 beschrieben wird, können
Dichtungen dieser Art durch Formen oder den FIP-Prozess so, dass sie
ein mit Zinnen versehenes, d.h. gekerbtes oder sägezahnförmiges, oder ein sinusförmiges „Wellenform"-Profil aufweisen, oder als eine Reihe
von getrennten Tropfen ausgebildet werden. Im Allgemeinen wird für eine vorgeschriebene
Verbindungsform von einer Dichtung mit solch einem „unterbrochenen" Profil oder Muster
erwartet, dass sie unter einer bestimmten Drucklast eine größere Biegung
als ein durchgehendes Profil an den Tag legt.
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Eine
handelsübliche
Wellenformdichtungseinheit, welche für den bestehenden Stand der
Technik repräsentativ
ist, ist in der perspektivischen Ansicht von 1 und in
der Draufsicht von 2 im Allgemeinen bei 1 so
dargestellt, dass sie ein Stück
einer elektrisch leitenden Elastomerdichtung 2 umfasst,
welche als ein silber- oder silberplattierungsgefülltes Silicon-
oder Fluorsiliconmaterial formuliert ist, das durch Spritzgieß- oder
Pressformen entlang einer abgequetschten, bei 3 angezeigten
Kante eines Gehäuses 4 verklebt
ist. Das Gehäuse 4 kann
aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise ABS, Polycarbonat,
Nylon, Polyester, Polyetherimid, einem Flüssigkristallpolymer (LCP für engl.
liquid crystal polymer) oder dergleichen, gebildet sein, das mit
einer metallisierten Beschichtung versehen ist, um die Innenfläche 5 davon
elektrisch leitend zu machen. Alternativerweise kann das Gehäuse 4 aus
einem verhältnismäßig leichten
Metall, wie beispielsweise Magnesium oder Aluminium, gebildet werden.
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In
der Grundgeometrie nimmt die distale Kante 6 der Dichtung 2 ein
im Allgemeinen sinusförmiges Profil
an. Funktionsgemäß verformt
sich die Elastomerdichtung 2 durch eine Druckart, bei der
die Täler
der Wellenform als Druckanschläge
fungieren. Dieses Verformungsverhalten der Dichtung 2 ist
in 2' veranschaulicht, in welcher ein 3-D-Gittermodell
eines Querschnitts davon bei 7 in Durchsicht in einer nicht
zusammengedrückten
oder normalen Ausrichtung dargestellt ist, welche über die
verformte oder belastete Ausrichtung gelegt ist, welche bei 8 angezeigt
ist und welche bei Zusammendrücken
der Dichtung 2 zwischen der Kantenfläche 3 (in 2' nicht
dargestellt) und einer genau anliegenden Grenzfläche, die durch die Ebene dargestellt
ist, welche bei 9 in Durchsicht angezeigt ist, angenommen
wird. Wie in 2' bestätigt wird, legt die Dichtung 2 ein
Verformungsverhalten an den Tag, welches hauptsächlich im Zusammendrücken ist,
wobei die dunkleren Schattierungsbereiche Regionen von zunehmender
Druckspannung andeuten.
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Es
ist zu erkennen, dass, da die Größen der
elektronischen Handgeräte,
wie beispielsweise Mobiltelefone, immer kleiner geworden sind, daher
weitere Verbesserungen in der Konstruktion von Dichtungsprofilen von
der Elektronikindustrie willkommen geheißen werden würden. Besonders
wünschenswert
wäre ein
Dichtungsprofil mit geringer Schließkraft, welches zur Verwendung
in den kleineren Elektronikeinfassungen, die immer mehr zum Industriestandard
werden, geeignet ist.
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ALLGEMEINE
DARLEGUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Dichtung mit geringer Schließkraft zur
Abkapselung gegen die Umgebung und/oder Abschirmung gegen elektromagnetische
Störbeeinflussung
(EMI) gerichtet, welche insbesondere zur Verwendung in kleineren
elektronischen Einfassungsanordnungen geeignet ist. Wie bei den herkömmlichen
Konstruktionen ist die Dichtung der vorliegenden Erfindung so ausgelegt,
dass sie eine Apexfläche
aufweist, welche in Bezug auf das Gehäuse oder ein anderes Substrat,
auf welchem die Basis der Dichtung getragen werden kann, so ausgebildet
ist, dass sie ein sinusförmiges
oder anderes „Wellenform"-Profil an den Tag
legt, um auf geringere Schließkraftlasten
anzusprechen, wenn sie zwischen einem Paar von Oberflächen, wie
beispielsweise zwischen zwei Hälften
eines Gehäuses,
zusammengedrückt
wird. Die Dichtung gemäß der Erfindung
ist jedoch ferner so ausgelegt, dass sie zum Beispiel wenigstens
eine Seitenfläche
aufweist, welche in Bezug auf die Apexfläche als ein quer verlaufendes
Wellenformprofil ausgebildet ist, um ein kontrolliertes Biegeverhalten
an den Tag zu legen, welches als ein Biegemoment bezeichnet werden
kann. Dieses Verhalten stellt vorteilhafterweise eine große, aber
kontrollierte Biegung bereit und ermöglicht einen einheitlicheren
Grenzflächenkontakt
mit der Kontaktfläche
für einen
besser gesicherten elektrischen und physischen Durchgang und wiederum
einen zuverlässigeren
Wirkungsgrad hinsichtlich der EMI-Abschirmung und der Abkapselung
gegen die Umgebung. Wenn die erfindungsgemäße Dichtung zum Beispiel in
Elektronikanwendungen eingesetzt wird, stellt sie daher einen beständigen Wirkungsgrad
hinsichtlich der EMI-Abschirmung und außerdem hinsichtlich der Abkapselung
gegen die Umgebung bereit.
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Vorteile
der vorliegenden Erfindung umfassen daher die Bereitstellung eines
verbesserten Dichtungsprofils für
Anwendungen mit geringer Schließkraft,
wie sie beispielsweise in kleinen elektronischen Handgeräten gefunden
werden können.
Zusätzliche
Vorteile umfassen ein Dichtungsprofil, welches ein kontrolliertes Biegeverhalten
für einen
stabileren Grenzflächenkontakt
mit dem Gehäuse
oder den Leiterplattenkomponenten der Einfassung und wiederum einen
besser gesicherten elektrischen Durchgang und zuverlässigeren
Wirkungsgrad hinsichtlich der EMI-Abschirmung an den Tag legt. Diese
und andere Vorteile sind für
die Fachleute auf der Basis der hierin enthalten Offenbarung leicht
zu erkennen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zum
besseren Verständnis
der Beschaffenheit und der Aufgaben der Erfindung sollte auf die
folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug
genommen werden, wobei:
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1 eine
perspektivische Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines Abschnitts
eines Gehäuses für ein elektronisches
Kommunikationsbandgerät
ist, welches eine „wellenförmige" EMI-Abschirmungsdichtung
aufweist, die auf eine Kante davon geformt ist und die für den Stand
der Technik repräsentativ
ist;
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2 eine
Draufsicht des Gehäuses
von 1 ist;
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3 ein
3-D-Gittermodell eines Querschnitts der Wellenformdichtung von 1 nach
dem Stand der Technik ist, welches das Druckverhalten davon darstellt;
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4 eine
perspektivische Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines Abschnitts
einer repräsentativen
EMI-Abschirmungseinheit
ist, welche ein Gehäuseteil
umfasst, entlang dessen Kanten eine Ausführungsform einer Kombinationswellenformdichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung geformt ist;
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5 eine
vergrößerte, um
90° verdrehte
Ansicht der EMI-Abschirmungseinheit
von 4 ist;
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6 eine
weiter vergrößerte Ansicht
der EMI-Abschirmungseinheit von 5 ist, welche
den Querschnitt der Wellenformdichtung der vorliegenden Erfindung
in einem vergrößerten Detail
darstellt;
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7 ein
3-D-Gittermodell eines Querschnitts der Wellenformdichtung von 6 ist,
welches das Biegeverhalten davon darstellt;
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8 eine
grafische Darstellung ist, welche das Kraft-Biegeverhalten der Kombinationswellenformdichtung
von 7 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer ähnlich
bemessenen Nichtwellenformdichtung vergleicht;
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9A eine
grafische 3-D-Darstellung eines Finite-Elemente-Modells der vorausgesagten
Spannungsverteilung bei einer Biegung von 0,50 mm (0,020 Zoll) in
einem repräsentativen
Wellenformdichtungsprofil der vorliegenden Erfindung ist;
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9B eine
grafische 3-D-Darstellung der Spannungsverteilungen des Dichtungsprofils
von 9A bei einer Biegung von 0,635 mm (0,025 Zoll)
ist;
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10A eine grafische 3-D-Darstellung eines Finite-Elemente-Modells
der vorausgesagten Spannungsverteilungen bei einer Biegung von 0,50
mm (0,020 Zoll) in einer alternativen Ausführungsform eines Wellenformdichtungsprofils
der vorliegenden Erfindung ist;
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10B eine grafische 3-D-Darstellung der Spannungsverteilungen
des Dichtungsprofils von 10A bei
einer Biegung von 0,635 mm (0,025 Zoll) ist;
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11 eine
grafische Darstellung ist, welche das Kraft-Biegeverhalten der Kombinationswellenformdichtung
von 9 gemäß der vorliegenden
Erfindung mit der herkömmlichen
Wellenformdichtung von 1 vergleicht.
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Die
Zeichnungen werden in Verbindung mit der folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung näher
beschrieben.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
gewisse Terminologie kann in der folgenden Beschreibung vielmehr
zur Zweckmäßigkeit
als zu irgendeinem einschränkenden
Zweck eingesetzt werden. Zum Beispiel bezeichnen die Begriffe „nach vorne", „nach hinten", „rechts", „links", „oberer" und „unterer" Richtungen in den
Zeichnungen, auf welche Bezug genommen wird, wobei sich die Begriffe „nach innen", „innerer" oder „nach innen
gerichtet" und „nach außen", „äußerer" oder „nach außen gerichtet" sich jeweils auf
Richtungen zum Zentrum des erwähnten
Elements hin oder davon weg beziehen, und sich die Begriffe „radial" beziehungsweise „axial" auf Richtungen beziehen,
welche senkrecht und parallel zur zentralen Längsachse des erwähnten Elements
sind. Terminologie ähnlicher Bedeutung,
die sich von den zuvor eigens erwähnten Wörtern unterscheidet, ist gleichermaßen dahingehend zu
betrachten, dass sie vielmehr aus Gründen der Zweckmäßigkeit
als in irgendeinem einschränkenden
Sinn verwendet wird.
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In
den Figuren können
Elemente mit einer alphanumerischen Bezeichnung hierin zusammen
oder alternativerweise, wie aus dem Zusammenhang zu erkennen ist,
nur durch den numerischen Teil der Bezeichnung angezeigt sein. Außerdem können die
Bauteile von verschiedenen Elementen in den Figuren mit getrennten
Bezugzeichen bezeichnet sein, welche dahingehend zu verstehen sind,
dass sie sich auf dieses Bauteil des Elements und nicht auf das
Element als Ganzes beziehen. Allgemeine Bezugnahmen können zusammen
mit Bezugnahmen auf Spalte, Oberflächen, Abmessungen und Ausdehnungen
mit Pfeilen bezeichnet sein.
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Für die Zwecke
des folgenden Diskurses werden die hierin einbezogenen Grundsätze der
Erfindung in Verbindung mit dem Formen oder anderem Aufbringen einer
elektrisch leitenden Elastomerdichtung zur Abschirmung gegen elektromagnetische
Störbeeinflussung
(EMI) auf eine Kante oder andere Oberfläche eines Teils einer Einfassung
für ein
elektronisches Handgerät,
wie beispielsweise ein Mobiltelefon, beschrieben. Es ist angesichts
des folgenden Diskurses jedoch zu erkennen, dass Aspekte der vorliegenden
Erfindung auch in anderen EMI-Abschirmungsanwendungen, wie beispielsweise
für Einlegerahmendichtungen,
Leiterplatten oder EMI-Abschirmungskappen, oder in elektrisch nichtleitenden
und/oder wärmeleitfähigen Ausführungsformen
für Anwendungen
zur Abkapselung gegen die Umgebung und/oder Wärmeübertragung Verwendung finden
können.
Die Verwendung innerhalb dieser anderen Anwendungen ist deshalb
ausdrücklich
so anzusehen, dass sie innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung
liegen.
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Nunmehr
unter Bezugnahme auf die Figuren ist eine beispielhafte Dichtungseinheit
für EMI-Abschirmungsanwendungen
in 4 im Allgemeinen bei 10 so dargestellt,
dass sie ein Gehäuseteil
oder eine andere Einfassung 12 für ein elektronisches Gerät umfasst,
welches ein Mobiltelefon oder alternativerweise ein anderes Hand-
oder anderes elektronisches Gerät,
wie beispielsweise ein Handapparat für persönliche Kommunikationsdienste
(PCS), eine PCMCIA-Karte,
ein globales Navigationssystem (GPS), ein Funkempfänger, ein persönlicher
digitaler Assistent (PDA) oder dergleichen, sein kann. Das Gehäuseteil 12 weist
eine Innenfläche 14 und
eine Außenfläche 16 auf,
welche sich erstrecken, um Seitenwände zu bilden, von welchen
eine bei 18 angezeigt ist und welche dazwischen eine Umfangskantenfläche 20 aufweisen.
Die Kantenfläche 20 funktioniert
als eine Grenzfläche
mit einer genau anliegenden Kanten- oder anderen Grenzfläche eines
dazupassenden Gehäuseteils
(nicht dargestellt). Um die formschlüssige Positionierung der zusammenpassenden
Teile sicherzustellen, kann jedes der Teile so ausgebildet sein,
dass es einen oder mehrere Fixierstifte aufweist, von welchen einer
bei 22 auf dem Teil 12 angezeigt ist und welche
innerhalb eines entsprechenden, im dazupassenden Gehäuseteil
vorgesehenen Loches, wie beispielsweise Loch 14 des Teils 12,
aufgenommen werden können.
Typischerweise ist der Innenraum des Gehäuseteils 12, beispielsweise
durch eine Innenwand 26, in mehrere getrennte Hohlräume unterteilt,
um elektromagnetisch isolierte Abteilungen zwischen einander potenziell
störend
beeinflussenden Schaltungsanordnungen bereitzustellen.
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Für viele
Anwendungen kann das Gehäuseteil 12 aus
einem thermoplastischen oder anderen polymeren Material, wie beispielsweise
einem Poly(ether-Ether-Keton), Polyimid, Polyethylen mit hoher relativer
Molekülmasse,
Polypropylen, Polyetherimid, Polybutylenterephthalat, Nylon, Fluorpolymer,
Polysulfon, Polyester, ABS, Acetalhomo- oder -copolymer, oder einem
Flüssigkristallpolymer
durch Spritzgießen
oder anderweitig geformt werden. Im Falle eines elektrisch nichtleitenden
Materials kann die Innenfläche 14 des
Gehäuseteils gestrichen,
metallisiert oder anderweitig mit einer Metall- oder metallgefüllten Deckschicht
versehen werden. Alternativerweise kann das Gehäuseteil 12 aus einem
verhältnismäßig leichten
Metall, wie beispielsweise Magnesium oder Aluminium, gebildet werden.
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Wie
unter zusätzlicher
Bezugnahme auf die vergrößerten Ansichten
von 5 und 6 zu erkennen ist, ist eine
elastische Dichtung, deren Bausegmente bei 30a-d angezeigt
sind, auf die Seitenwand 18 und wahlweise die Innenwand 26 geformt
oder wird anderweitig, wie beispielsweise durch Binden oder eine
Presspassung, darauf gehalten, um unter einer vorbestimmten Drucklast
zwischen der Kantenfläche 20 und
der entsprechenden Oberfläche
des dazupassenden Gehäuseteils
(in 4 bis 6 nicht dargestellt) axial zusam mengedrückt werden
zu können.
In diesem Zusammenhang ist die Dichtung 30 vorzugsweise
auf die Kantenfläche 20 der
Seitenwand durch Spritzgieß-
oder Pressformen so darüber
geformt, dass sie aus einem elastomeren Material gebildet ist, welches
speziell zur Temperatur-, chemischen oder physikalischen Vereinbarkeit mit
dem Gehäusematerial
ausgewählt
ist. In Abhängigkeit
von der Anwendung können
geeignete Materialien Naturkautschuk, wie beispielsweise Hevea,
sowie thermoplastische, d.h. schmelzverarbeitbare, oder wärmehärtbare,
d.h. vulkanisierbare, Kunstkautschuke, wie beispielsweise Fluorpolymere,
Chlorsulfonat, Polybutadien, Buna-N, Butyl, Neopren, Nitril, Polyisopren,
Silicon und Fluorsilicon, Copolymerkautschuke, wie beispielsweise
Ethylen-Propylen (EPR), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM), Nitrilbutadien (NBR)
und Styrol-Butadien (SBR), oder Mischungen, wie beispielsweise Ethylen-
oder Polypropylen-EPDM, -EPR oder -NBR, umfassen. Der Begriff „Kunstkautschuke" ist so zu verstehen,
dass er auch Materialien umfasst, welche alternativerweise im Allgemeinen
als thermoplastische oder wärmehärtbare Elastomere,
wie beispielsweise Polyurethane, Silicone, Fluorsilicone, Styrol-Isopren-Styrol
(SIS) und Styrol-Butadien-Styrol (SBS), eingestuft werden können, sowie
andere Polymere, welche gummiähnliche
Eigenschaften an den Tag legen, wie beispielsweise weich gemachte
Nylons, Polyesters, Ethylenvinylacetate und Polyvinylchloride. Wie
hierin verwendet, wird dem Begriff „elastomer" seine herkömmliche Bedeutung des Aufweisens
gummiähnlicher
Eigenschaften von Nachgiebigkeit, Elastizität oder Biegung unter Druck,
geringem Druckverformungsrest, Flexibilität und einer Fähigkeit,
sich nach der Verformung zu erholen, beigemessen.
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Vorzugsweise
für EMI-Abschirmungsanwendungen
wird das elastomere Material so ausgewählt, dass es ein Silicon- oder Fluorsiliconmaterial
ist. Im Allgemeinen legen Siliconelastomere wünschenswerte Eigenschaften,
wie beispielsweise Wärme-
und Oxidationsbeständigkeit über einen großen Temperaturbereich,
sowie Beständigkeit
gegen viele Chemikalien und Wettereinflüsse, an den Tag. Diese Materialien
legen ferner ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, einschließlich der
Beständigkeit
gegen Koronadurchschlag, über einen
großen
Bereich von Umgebungstemperaturen und Feuchtigkeit an den Tag.
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Für EMI-Abschirmungsanwendungen
können
das Silicon- oder ein anderes elastomeres Material elektrisch leitend
gemacht werden, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den
Grenzflächen
durch Laden einer kontinuierlichen Bindemittelphase des Materials
mit einem elektrisch leitenden Füllmittel
bereitzustellen. Geeignete elektrisch leitende Füllmittel umfassen Nickel und
nickelplattierte Substrate, wie beispielsweise Graphit und Edelmetalle,
und Silber und silberplattierte Substrate, wie beispielsweise: reines
Silber, silberplattierte Edelmetalle, wie beispielsweise silberplattiertes
Gold; silberplattierte Nichtedelmetalle, wie beispielsweise silberplattiertes
Kupfer, Nickel, Aluminium und Zinn; und silberplattiertes Glas,
silberplattierte Keramikwerkstoffe, Kunststoffe und silberplattierten
Glimmer; und Mischungen davon. Die Form des Füllmittels wird für die vorliegende
Erfindung nicht als entscheidend betrachtet, und sie kann jede Form
umfassen, welche herkömmlicherweise
mit der Herstellung oder Formulierung von leitenden Materialien
der hierin einbezogenen Art, einschließlich Vollkugeln, hohler Mikrokügelchen,
Flocken, Plättchen,
Fasern, Stäbe
oder unregelmäßig geformter
Partikel, zu tun haben. Auf ähnliche
Weise wird die Partikelgröße des Füllmittels
zwar nicht als entscheidend betrachtet, liegt aber im Allgemeinen
im Bereich von etwa 0,250 bis 250 μm, wobei ein Bereich von etwa 0,250
bis 75 μm
bevorzugt wird.
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Das
Füllmittel
wird in einem Verhältnis
in die Zusammensetzung geladen, welches ausreicht, um das Niveau
elektrischer Leitfähigkeit
und den EMI-Abschirmungs wirkungsgrad in der ausgehärteten Dichtung
bereitzustellen, die für
die beabsichtigte Anwendung erwünscht
sind. Für
die meisten Anwendungen wird ein EMI-Abschirmungswirkungsgrad von
wenigstens 10 dB, vorzugsweise von wenigstens 20 dB und insbesondere
von wenigstens 100 dB oder mehr über
einen Frequenzbereich von etwa 10 MHz bis 12 GHz als annehmbar betrachtet.
Ein derartiger Wirkungsgrad lässt
sich in ein Füllmittelverhältnis übersetzen,
welches im Allgemeinen zwischen etwa 10 bis 80 Volumen-% und vorzugsweise
von etwa 20 bis 70 Volumen-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des
Reaktionssystems, beträgt.
Bekanntlich variiert der endgültige
Abschirmungswirkungsgrad der ausgehärteten Dichtung jedoch basierend
auf der Menge von elektrisch leitendem Material im Füllmittel
und der auferlegten Last oder Biegung normalerweise zwischen etwa
10 bis 50 % der Dichtung.
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Alternativerweise
kann das elektrisch leitende Füllmittel
als eine verhältnismäßig dünne, d.h.
0,025 bis 0,25 mm (1 bis 10 Millizoll) dicke, Plattierungs- oder
Deckschicht, welche die Dichtung abdeckt, bereitgestellt werden.
Im Falle einer Beschichtung kann diese Schicht als ein Silicon-,
Fluorsilicon- oder anderes elastomeres Bindemittel formuliert werden,
welches eine kontinuierliche Phase bildet, innerhalb der das Füllmittel
fein verteilt wird.
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Um
auf 4 bis 6 zurückzukommen, ist zu erkennen,
dass die Bausegmente 30a-b der Dichtung 30 im
nicht zusammengedrückten
oder normalen Zustand jeweils als ein länglicher Körper 40 von unbestimmter
Länge ausgebildet
sind, welcher sich entlang einer Längsachse erstreckt, wobei die
Achse als die zentrale Achse, welche im Allgemeinen bei 42 angezeigt
ist, für
die Dichtungssegmente 30a und 30b dargestellt
ist. In Abhängigkeit
von der Form des Gehäuseteils 12 können die
Dichtung 30 und demgemäß der Körper 40 davon kontinuierlich
oder diskontinuierlich sein. und sie können einen linearen, gekrümmten, geradlinigen,
krummlinigen oder anderweitig geformten Pfad entlang der Längsachse 42 verfolgen.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf die vergrößerten Ansichten von 5 und 6 ist
zu erkennen, dass der Körper 40 gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung so ausgelegt ist, dass er ein kombiniertes
Wellenformprofil aufweist, welches ein kontrolliertes Biegeverhalten
in der Dichtung 30 bewirkt. Im Grundaufbau umfasst dieses
Profil eine Basis- oder untere Fläche 50, eine Apex-
oder obere Fläche 52,
welche das erste Wellenformprofil der Dichtung 30 definiert
und von welcher ein Abschnitt bei 53 angezeigt ist, eine
nach innen gerichtete Seitenfläche 54 und
eine nach außen
gerichtete Seitenfläche 56,
welche gegenüber der
nach innen gerichteten Seitenfläche 54 angeordnet
ist und welche das zweite Wellenformprofil der Dichtung definiert.
Wie zu erkennen ist, können
alle der Flächen 50, 52, 54 und 56 innerhalb
des Körpers 40 einstückig ausgebildet
sein.
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Die
Basisfläche 50 in
der veranschaulichten Form der Dichtung 30 ist im Allgemeinen
flach und erstreckt sich im Allgemeinen parallel zur Kantenfläche 20 des
Gehäuseteils
entlang der Länge
des Dichtungskörpers 40.
Indem die Dichtung 30 auf die Kantenfläche 20 geformt oder
anderweitig daran gebunden oder befestigt wird, trägt die Basisfläche 50 dadurch
die Dichtung auf der Fläche 20 proximal,
um zwischen derselben und der genau anliegenden Grenzfläche (in 5 und 6 nicht
dargestellt) zum Beispiel des dazupassenden Gehäuseteils zusammengedrückt zu werden.
In Abhängigkeit
von der Geometrie oder der Ausrichtung der Kantenfläche 20 kann
die Basisfläche 50 jedoch
alternativerweise so ausgelegt werden, dass sie zum Beispiel abgefast
oder abgeschrägt
ist, um jeder Abfasung oder Abschrägung der nach innen gerichteten
Ecke 60 der Fläche 20 zu
entsprechen. Außerdem
ist die Basisfläche 50 in
der veranschaulichten Ausführungsform von 5 und 6 ferner so
ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit
davon, ob sie an die Innenfläche 14 der Seitenwand 18 gebunden
oder anderweitig daran gesichert ist, einen Erweiterungsabschnitt
aufweist, welcher am besten in 6 bei 62 in
Durchsicht zu erkennen ist. Es versteht sich von selbst, dass der
Erweiterungsabschnitt 62 eine zusätzliche Oberfläche, sowie
eine Scherflächenbefestigung
zur weiteren Sicherung, wie beispielsweise durch selbstklebendes
Formen oder Klebebinden, des Dichtungskörpers 40 am Gehäuseteil 12 bereitstellt.
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Die
Apexfläche 52 erstreckt
sich radial von der Längsachse 42,
und zwar so, dass sie von der Basisfläche 50 zum distalen
Kontakt mit der genau anliegenden Grenzfläche (nicht dargestellt) beabstandet
ist. In der veranschaulichten Ausführungsform von 5 und 6 definiert
die Apexfläche 52 das
erste Wellenformprofil 53 der Dichtung 30, indem
sie sich entlang der Längsachse 42 in
einer ersten periodischen Reihe von abwechselnden ersten Intervallen
mit hoher Amplitude oder Gipfeln, von welchen einer bei 70 angezeigt ist,
und ersten Intervallen mit niedriger Amplitude oder Tälern, von
welchen eines bei 72 angezeigt ist, erstreckt. Das erste
Wellenformprofil 53, welches durch die Apexfläche 52 definiert
ist, kann zwar jedes Muster, wie beispielsweise Rechteckwelle, Rampe,
Sägezahn,
aufweisen, ist aber in der veranschaulichten Ausführungsform
von 6 so dargestellt, dass es im Allgemeinen sinusförmig ist
und eine bestimmte, vorzugsweise konstante Wellenlänge, die
bei λ1 angezeigt ist und für viele Anwendungen zwischen
etwa 0,25 bis 12,7 mm (0,01 bis 0,50 Zoll) sein kann, und eine Höhe h oder
Doppelwellenamplitude, welche zwischen etwa 0,13 bis 12,7 mm (0,005
bis 0,50 Zoll) sein kann, aufweist. Für EMI-Abschirmungsanwendungen
können
die Wellenlänge λ1 und
demgemäß die Spalte
zwischen den Gipfeln 70 in Bezug auf die Wellenlänge der
einfallenden EMI-Strahlung so bemessen werden, dass sie beispielsweise
etwa weniger als 1/4 dieser Wellenlänge für Frequenzen im Bereich von
10 MHz bis 10 GHz sind, um das erforderliche Niveau an EMI-Abschirmung
aufrechtzuerhalten. Außerdem
wird für
EMI-Abschirmungsanwendungen bevorzugt, dass ein minimaler elektrischer Widerstand,
der normalerweise etwa 0,1 Ω oder
weniger beträgt,
je Längeneinheit
der Dichtung 30 aufrechterhalten wird.
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Die
nach innen gerichtete Seitenfläche 54 erstreckt
sich zwischen der Basis- und der Apexfläche 50 und 52,
indem sie eine Seite des Dichtungskörpers 40 bildet. Indem
die andere Seite des Dichtungskörpers 40 durch
die nach außen
gerichtete Seitenfläche 56 gebildet
wird, ist eine Breitenausdehnung, welche in 6 bei w
angezeigt ist, der Apexfläche
dazwischen definiert, welche zur Erleichterung der Herstellung des
Form- oder anderen Werkzeugs für
die Dichtung 30 mittels eines CNC- oder Drahtschneide-EDM-Prozesses im Allgemeinen
so gehalten werden kann, dass sie konstant ist. Um zur Kontrolle
der Biegung der Dichtung auf die später zu beschreibende Weise
beizutragen, kann die nach innen gerichtete Seitenfläche 54 so
ausgelegt sein, dass sie ein im Allgemeinen konkaves Profil entlang
der Längsachse 42 zwischen
der Basis- und der Apexfläche 52 annimmt,
indem sie einen Krümmungsradius,
der in 6 bei r1 angezeigt ist,
um die Achse 74, welche sich im Allgemeinen parallel zur
Längsachse 42 erstreckt,
aufweist. Der Radius r1 ist normalerweise
zwischen etwa 0,05 bis 5,8 mm (0,002 bis 0,20 Zoll) für viele
der hierin einbezogenen Anwendungen.
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Die
nach außen
gerichtete Seitenfläche 56 wiederum
erstreckt sich auf ähnliche
Weise zwischen der Basisfläche 50 und
der Apexfläche 52 gegenüber der
nach innen gerichteten Seitenfläche 54.
Wie unter Bezugnahme auf die vergrößerte Ansicht von 6 zu
erkennen ist, ist die nach außen
gerichtete Seitenfläche 56 vorzugsweise
entlang der Achse 76 von der Basisfläche 50 zur Apexfläche 52 in
der Richtung der nach innen gerichteten Seitenfläche 54 so geneigt,
dass sie mit der vertikalen Achse 78 einen spitzen Winkel
bildet, der bei θ angezeigt
ist. Diese Neigung der Seitenfläche 56 trägt weiter
zur kontrollierten Biegung der Dichtung 30 bei, wie im
Folgenden beschrieben wird.
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Gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist die nach außen gerichtete Seitenfläche 56 so ausgelegt,
dass sie ein zweites Wellenformprofil der Dichtung 30 definiert.
Wie am besten in 5 zu erkennen ist, ist dieses
Profil, das in 5 bei 80 allgemein
angezeigt ist, im Allgemeinen quer zum ersten Wellenformprofil 53 der
Apexfläche 52 angeordnet
und erstreckt sich entlang der Längsachse 42 in
einer zweiten periodischen Reihe von abwechselnden zweiten Intervallen
mit hoher Amplitude oder Gipfeln, von welchen einer in 5 bei 82 angezeigt
ist, und zweiten Intervallen mit niedriger Amplitude oder Tälern, von
welchen eines in 5 bei 84 angezeigt
ist. Das zweite Wellenformprofil 80, welches durch die
nach außen
gerichtete Seitenwand 56 definiert ist, kann abermals jedes
Muster, wie beispielsweise Rechteckwelle, Rampe, Sägezahn, aufweisen,
und es kann dasselbe Muster wie das erste Wellenformprofil 53 der
Apexfläche 52 aufweisen
oder sich davon unterscheiden. In der veranschaulichten Ausführungsform
von 5 ist das zweite Wellenformprofil 80 jedoch
ebenfalls so dargestellt, dass es im Allgemeinen sinusförmig ist,
indem es eine konvexe Krümmung,
wie beispielsweise um eine geneigte zentrale Achse 86,
in der Richtung, welche durch den Pfeil 88 angezeigt ist,
zwischen jedem aufeinander folgenden Paar von Tälern 84 aufweist.
Jedes derartige Talpaar definiert vorzugsweise auch eine konstante
Wellenlänge,
welche dazwischen bei λ2 angezeigt ist und welche in der Ausführungsform
von 5 etwa gleich λ1 (6) des ersten
Wellenformprofils 53 ist. Vorzugsweise ist jeder Gipfel 82 des
zweiten Wellenprofils 80 in Passgenauigkeit mit einem entsprechenden
Gipfel 70 des ersten Wellenformprofils 53 und
ist jedes Tal 84 des zweiten Wellenformprofils 80 in
Passgenauigkeit mit einem entsprechenden Tal 72 des ersten
Wellenformprofils 53, so dass das erste und das zweite
Wellenformprofil entlang der Längsachse 42 im
Allgemeinen phasengleich sind.
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Durch
die Bereitstellung einer Kombination von Wellenformprofilen wird
die Dichtung 30 der Erfindung dadurch so gemacht, dass
sie ein kontrolliertes Biegeverhalten an den Tag legt, wenn sie
unter einer axial gerichteten Kraft zum Beispiel zwischen der Kantenfläche 20 des
Gehäuseteils 12 und
einer genau anliegenden Grenzfläche
von einem dazupassenden Gehäuseteil
oder einer anderen Komponente verformt wird. Dieses Verformungsverhalten
der Dichtung 30 ist in 7 veranschaulicht,
wobei ein 3-D-Gittermodell eines Querschnitts der Dichtung 30 bei 90 in
Durchsicht in einer nicht zusammengedrückten oder normalen Ausrichtung dargestellt
ist, welche über
die verformte oder belastete Ausrichtung gelegt ist, welche bei 92 angezeigt
ist und bei Zusammendrücken
der Dichtung 30 zwischen den Grenzflächen 94 und 96 angenommen
wird. Wie in 7 zu sehen ist, ist das kontrollierte
Biegeverhalten der Dichtung 30 darin gekennzeichnet, dass
der Dichtungskörper 40 zwischen
der Basis- und der Apexfläche 50 und 52 davon
um einen entsprechenden Biege- oder Momentarm in der radialen Richtung,
die durch den Pfeil 98 angezeigt ist, winkelig umgebogen,
d.h. gebeugt oder gefaltet, wird. Die dunkleren Schattierungsbereiche
in der Figur deuten Regionen von zunehmender Druckspannung an.
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Es
wurde festgestellt, dass die Bereitstellung eines solchen Biegemechanismus
vorteilhafterweise die Last, welche erforderlich ist, um eine bestimmte
Biegung der Dichtung 30 um bis zu etwa 50 % oder mehr zu bewirken,
im Vergleich zur Biegung, welche durch das Zusammendrücken der
Dichtung alleine zu erreichen ist, verringern kann. Das heißt, für eine bestimmte
Drucklast kann die axiale Biegung der Dichtung 30 gemäß der vorliegenden
Erfindung mehr als zweimal die Biegung einer Dichtung herkömmlicher
Konstruktion, welche das beschriebene Biegemoment nicht aufweist,
sein. Zum Beispiel kann die Dichtung der Erfindung unter einer Drucklast
von etwa 0,2 bis 0,8 kg/cm (1,0 bis 4,0 lb/in) in einer typischen
Anwendung um wenigstens etwa 0,15 bis 0,4 mm (0,006 bis 0,015 Zoll)
umgebogen werden. Die Wirkungen einer Nichtwellenform- und einer
Kombinationswellenformdichtungsform werden in 8 bei 100 verglichen.
In 8 sind bei 102 und 104 normalisierte
Last-Biegekurven
als Funktionen der Gesamtlastkraft entlang der Achse, welche mit 106 bezeichnet
ist, und der Biegeversetzung entlang der Achse, welche mit 108 bezeichnet
ist, für
Längeneinheiten
des Kombinationswellenformdichtungsprofils von 7 (Kurve 102)
beziehungsweise eines vergleichbar bemessenen, d.h. oben und unten
gleich breiten und gleich hohen, Nichtwellenformprofils (Kurve 104)
grafisch dargestellt.
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Aus
den Ergebnissen von 8 ist zu erkennen, dass innerhalb
einer bestimmten Anwendung die Kraft, welche benötigt wird, um eine Kombinationswellenformkonstruktion
umzubiegen, geringer ist als für
eine vergleichbare kontinuierliche Konstruktion. Es ist zu erkennen,
dass die Dichtung der vorliegenden Erfindung demgemäß zur Verwendung
in EMI-Abschirmungsanwendungen,
wie beispielsweise in Kommunikationshandapparaten und anderen Handgeräten, welche
eine Abschirmungslösung
mit geringer Schließkraft
vorschreiben, besonders geeignet ist. In der Tat kann durch die
Biegung der Dichtung ein vergrößerter Oberflächenkontakt
zwischen der Dichtung und der Grenzfläche für einen verbesserten elektrischen
Durchgang entwickelt werden.
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Die
Kombinationswellenformkonstruktion der vorliegenden Erfindung berücksichtigt
außerdem,
dass die Richtung der Dichtungsbiegung in Abhängigkeit von der Anforderungen
der konkreten Anwendung geändert
wird. Zum Beispiel ist in der Einheit 10 von 4 bis 6 die
Richtung der Biegung der Dichtung 30 nach innen, d.h. zur
Innenseite des Gehäuseteils 12,
gerichtet. Alternativerweise kann die Biegung der Dichtung 30 durch
Umkehren der Form der Seitenflächen 54 und 56 nach
außen,
d.h. zur Außenseite
des Gehäuseteils 12,
gerichtet werden. Diese Fähigkeit
ermöglicht
eine größere Flexibilität bei der
Konstruktion der Einfassung. Obwohl die Dichtung 30 in 4 bis 6 so
ausgelegt ist, dass sie auf einer Kantenfläche der Einfassung getragen
wird, versteht es sich in der Tat von selbst, dass die Dichtung
symmetrisch, d.h. mit zwei gegenüberliegenden
Basisflächen 50 und
zwei gegenüberliegend
angeordneten Apexflächen 52,
hergestellt werden kann, um auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats
getragen werden zu können,
wie beispielsweise der Einlegedichtungsrahmen, welche in der gemeinsam übertragenen,
ebenfalls anhängigen
Patentanmeldung U.S.S.N. 08/377,412, die am 24. Januar 1995 eingereicht
wurde, und in US-Patent Nr. 5,731,541 näher beschrieben werden.
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Das
folgende Beispiel dient der Veranschaulichung der Durchführung und
eindeutiger Merkmale der Erfindung, die hierin einbezogen sind,
sollte aber nicht in irgendeinem einschränkenden Sinne ausgelegt werden.
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BEISPIEL
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Zur
Bestätigung
der Grundsätze
der vorliegenden Erfindung wurde das statische Last-Biegeverhalten zweier
Dichtungsprofile, welche gemäß der Erfindung
ausgelegt waren, unter Verwendung eines nichtlinearen Finite-Elemente-Modellierprogramms
MARC K6 (MARC Analysis Research Corp. Palo Alto, CA) vorausgesagt.
Die Ergebnisse für
die Dichtungsprofile, welche in 9A und 9B bei 200 und
in 10A und 10B bei 300 ausgewiesen
sind, sind für
die zweite Cauchy-Spannungskomponente
bei einer Biegung von 0,50 mm (0,020 Zoll) für 9A und 10A und 0,635 mm (0,025 Zoll) für 9B und 10B grafisch dargestellt.
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Die
Profile wurden unter Verwendung von achtknotigen 3-D-Hermann-Elementen
modelliert, welche durch die Rasterlinien, die gemeinhin bei 400 angezeigt
sind, dargestellt sind.
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Das
Zusammendrücken
der Profile 200 und 300 wurde unter Verwendung
eines Kontaktelements simuliert, welches als die Ebene, die gemeinhin
bei 502 angezeigt ist, dargestellt ist. Die gegenüberliegende Kantenfläche (nicht
dargestellt) wurde in der Analyse als ein starrer Körper in
Bezug auf die Dichtungsprofile angesehen. Es ist zu erkennen, dass
sich das Profil 300 von 10A und 10B vom Profil 200 von 9A und 9B im
Wesentlichen darin unterscheidet, dass es eine Basisfläche 50 aufweist,
welche einen abgewinkelten Abschnitt 302 zum Tragen des
Profils 300 auf einer entsprechend abgeschrägten Kantenfläche umfasst.
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Basierend
auf den zuvor erwähnten
Modellen wurde das Last-Biegeverhalten
der Dichtungsprofile durch Finite-Elemente-Analyse unter Verwendung der Formänderungsenergiefunktion
von Mooney-Rivlin vorausgesagt:
W = C1 (I1 – 1) + C2 (I2 – 1) (1)wobei C
1, C
2 Materialkoeffizienten
und I
1, I
2 Verformungsinvarianten
sind, welche sich auf die Ogden-Funktion reduziert:
wobei λ
1, λ
2, λ
3 Streckverhältnisse
und α
i, μ
i die Materialkoeffizienten sind. Für ein zweigliedriges
Ogden-Modell, d.h. m = 2, sind die Gleichungen 1 und 2 äquivalent.
Tabelle 1 fasst die zweigliedrigen Ogden-Konstanten und den Volumenelastizitätsmodul,
welcher verwendet wurde, um die Beinahe-Unzusammendrückbarkeit
von elastomeren Materialien zu berücksichtigen, eines repräsentativen
siliconbasierten, gefüllten
Elastomerformmaterials zusammen.
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Tabelle
1 Repräsentative
Ogden-Modell-Materialkonstanten
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In
den FEA-Modellen von 9 und 10 ist
die vorausgesagte Spannungskomponentenverteilung in der vertikalen
Richtung durch die Konturschattierung mit den dunkleren Bereichen,
welche Regionen von zunehmender Druckspannung andeuten, dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass das Biegemechanismusverhalten der Profile
die Kraft, welche zur Biegung der Dichtung benötigt wird, merklich verringert.
Natürlich
können basierend
auf den vorhergehenden Simulationen andere Dichtungsgeometrien als
jene, welche in 8 und 9 dargestellt
sind, ausgemalt werden, welche dieses Biegemechanismusmerkmal einbinden.
Diese anderen Geometrien werden daher als innerhalb des Rahmens
der vorliegenden Erfindung angesehen.
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Quantitativ
ist die Wirkung des beschriebenen Biegeverhaltens in 11 bei 600 modelliert,
wobei Kurven normalisierter Lastkraft (Achse 602) zu Biegung
(Achse 604) für
Längeneinheiten
des Kombinationswellenformdichtungsprofils von 9 (Kurve 606)
und des herkömmlichen
Wellenformprofils, d.h. ohne Biegung, von 1 (Kurve 608)
grafisch dargestellt sind. Die jeweiligen Dichtungsprofile, welche für die Modelle verwendet
wurden, wurden vergleichsweise so bemessen, dass sie gleiche obere
und untere Breiten und gleiche Höhen
aufwiesen.
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Aus 11 ist
zu erkennen, dass die Bereitstellung des beschriebenen Biegemechanismus
die Last, welche erforderlich ist, um eine bestimmte Biegung einer
Wellenformdichtung um bis zu etwa 50 % oder mehr zu bewirken, im
Vergleich zur Biegung, welche durch das Zusammendrücken der
Dichtung alleine zu erreichen ist, verringern kann. Das heißt, die
axiale Biegung der Kombinationswellenformdichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung (Kurve 606) kann für eine bestimmte Drucklast
mehr als zweimal die Biegung einer Dichtung herkömmlicher Konstruktion (Kurve 608),
welche das beschriebene Biegemoment nicht aufweist, sein. Zum Beispiel
kann die Kombinationswellenformdichtung der Erfindung unter einer
Drucklast von etwa 0,2 bis 0,4 kg/cm (1,0 bis 2,0 lb/in), welche
für elektronische
Miniaturgeräte
oder andere Anwendungen mit sehr geringer Schließkraft normalerweise vorgeschrieben
ist, im Vergleich zu den nur etwa 0,25 bis 0,38 mm (0,01 bis 0,015 Zoll)
für das
herkömmliche
Profil um wenigstens etwa 0,76 bis 0,89 mm (0,03 bis 0,035 Zoll)
umgebogen werden. Es ist zu erkennen, dass das Biegemechanismusverhalten
den Biegungsbereich für
das Dichtungsprofil der vorliegenden Erfindung erweitert und es
zur Verwendung in einer Vielfalt von Anwendungen geeignet macht.
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Da
bereits vorausgeschickt wurde, dass gewisse Änderungen in der vorliegenden
Erfindung vorgenommen werden können,
ohne sich von den hierin einbezogenen Grundsätzen zu entfernen, ist beabsichtigt, dass
alles, was in der vorangehenden Beschreibung enthalten ist, im Sinne
einer Veranschaulichung und nicht einer Einschränkung auszulegen ist. Sämtliche
Bezugsquellen, welche hierin zitiert wurden, werden durch Bezugnahme
ausdrücklich
hierin aufgenommen.
