EP2858180B1

EP2858180B1 - Elektrisches Kontaktelement für eine Steckverbindung mit einer Leiterplatte

Info

Publication number: EP2858180B1
Application number: EP14003404.2A
Authority: EP
Inventors: Uberto Gamaggio
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: DE202013008679U1; EP2858180A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kontaktelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Kontaktelement zum Einsatz in Verbindung mit einer Leiterplatte ist bereits aus DE 41 32 996 A1 bekannt. Das Kontaktelement umfasst zwei Federschenkel, die durch einen Schlitz voneinander getrennt sind.
Weitere, zum Einstecken in eine Leiterplatte geeignete Kontaktelemente sind aus US 6 338 632 B1 , EP 0 138 309 A1 , JP 2000 332370 A , EP 2 639 890 A1 und US 6 231 402 B1 bekannt.
Aus EP 0 831 558 A2 ist ein Kontaktelement bekannt, das eine elastische verformbare Ebene aufweist, die es zum Durchstecken durch eine durchgehende Bohrung in einer Leiterplatte geeignet macht. Dabei umfasst die elastisch verformbare Fläche zwei zueinander. parallele Federschenkel, die durch eine verformbare Brücke miteinander verbunden sind. Dadurch soll erreicht werden, dass die Federschenkel an der inneren Wandung der Bohrung der Leiterplatte anliegen. Die verformbare Brücke umfasst im Querschnitt einen flachen Bereich, der sich im rechten Winkel zu den beiden gegenüberliegenden Federschenkeln erstreckt und eine obere und eine untere Oberfläche aufweist. Von den einander gegenüberliegenden Enden der oberen Oberfläche erstrecken sich nach außen zwei schräge Bereiche, die an die Federschenkel angrenzen.
Bei elektrischen Steckverbindungen besteht die Anforderung, eine sichere elektrische Kontaktierung auch unter widrigen Umgebungseinflüssen wie Temperaturschwankungen, mechanischen Vibrationen und dgl., zu gewährleisten. Insbesondere für den Einsatz an Bord eines Fahrzeugs muss die Kontaktsicherheit auch unter derartigen Einflüssen für die gesamte Lebensdauer erhalten werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kontaktelement zu schaffen, das gute Kontakteigenschaften hat und gleichzeitig kostengünstig herzustellen ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Kontaktelement der eingangs genannten Art gelöst, wie in Patentanspruch 1 angegeben.
Die Breite der Federschenkel ist so bemessen, dass beim Einstecken des Kontaktelements in eine Bohrung einer Leiterplatte die Federschenkel durch die Wandung der Bohrung, d. h. im Federbereich der Federschenkel, zusammengedrückt werden und einfedern. Der Durchmesser der Bohrung ist also in mindestens einem Bereich in einer Federebene so schmal, dass das aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehende Kontaktelement im Ruhezustand mit seinem Federelement nur federnd eingesteckt werden kann, wobei die Federschenkel nach innen, d. h. zu dem Spalt zwischen ihnen, einfedern.
Bei diesem Einfederungsvorgang vollzieht sich gleichzeitig eine Drehbewegung der Federschenkel in einer zur Steckrichtung transversalen Schnittebene im Bereich der Bohrung. Bei dieser Drehbewegung werden die Federschenkel durch die Innenwandung der Bohrung geführt und in Richtung zum Mittelpunkt der Bohrung verbogen. Auf diese Weise wird eine vollständig oder wenigstens im Wesentlichen reversible elastische Drehung der Federschenkel ausgeführt, die nach Beendigung des Steckvorgangs zu einem guten und breite Flächenbereiche der äußeren Konturen der Federschenkel umfassenden Anliegen der Federschenkel an der Innenwandung der Bohrung führt. Dies hat die Entstehung breiter gasdicht an der Innenwandung anliegender Zonen der Federschenkel zur Folge, wobei über einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden eine Kaltlötverbindung zwischen dem Federschenkel und dem Bereich aus der Innenwandung der Bohrung entsteht. Eine solche Kaltlötverbindung weist eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Temperaturleitfähigkeit auf. Durch den Einsatz der Dreh- oder Torsionsbewegung der Federschenkel in der Bohrung wird eine gute elektrische Verbindung mit der Innenwand der Bohrung hergestellt, wobei die Torsionsbewegung der Federschenkel wenigstens in ihrer letzten Phase eine Abrollbewegung auf der Innenwandung der Bohrung darstellt.
Während des Einsteckens des Kontaktelements bleibt die Wandung der Bohrung bevorzugt starr und unbeschädigt. Damit lässt sich zwischen dem Kontaktelement und der Leiterplatte eine sehr vorteilhafte elektrische Steckverbindung schaffen. Mit den Federschenkeln, die in dem zwischen ihnen gebildeten Spalt einfedern, werden eine sehr genau dosierte Federkraft und ein exakt vorgegebener Federweg erzielt. Die federnde Aufnahme innerhalb der Bohrung sorgt für hohe Kontaktkräfte und eine dauerhaft gute Kontaktierung. Dadurch, dass die Federkräfte auch in der in der Bohrung einmal hergestellten zusammengesteckten Verbindung weiterwirken, sind die guten Kontakteigenschaften auch bei widrigen Umwelteinflüssen von langer Lebensdauer.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Außenkonturen oder einzelne Bereiche der Außenkonturen der Federschenkel sich ganz oder wenigstens über einen weiten Umfang fest an die Innenkontur der Bohrung anschmiegen und eine kalte Verlötung mit der Innenkontur bilden, so dass die Federschenkel gasdicht an der Innenkontur anliegen und gasdichte Kontaktzonen mit der Wandung der Bohrung ausbilden. Dadurch wird das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit in diese Bereiche verhindert, so dass es nicht zur Korrosion kommt. Nur dadurch, dass diese Bereiche korrosionsfrei bleiben, wird dauerhaft die erforderliche elektrische Leitfähigkeit gewährleistet.
Das Kontaktelement wird bevorzugt aus einer Kupferlegierung hergestellt, insbesondere aus einer Kupferknetlegierung. Ganz besonders sind Federwerkstoffe geeignet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Federschenkel in Richtung zueinander eine muldenförmige Vertiefung aufweisen. Durch die durch den Spalt geteilte muldenförmige Vertiefung wird erreicht, dass die Federschenkel, eine große Elastizität haben und, wenn sie in die Bohrung der Leiterplatte hineingesteckt sind, einen großen Kontaktaußenbereich mit der Bohrung der Leiterplatte bilden. Dies unterstützt die Herstellung einer fest an der Wandung der Bohrung anliegenden Verbindung mit der Leiterplatte durch eine Kaltlötverbindung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Vertiefung der Federschenkel eine im Querschnitt im Wesentlichen trapezförmige Ausnehmung bildet.
Bevorzugt liegt der Drehpunkt dieser Drehbewegung im Bereich des Spalts.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Federschenkel im Querschnitt quer zur Steckrichtung jeweils viereckförmige Konturen mit verrundeten Ecken aufweisen. Insbesondere weisen die Federschenkel im Querschnitt quer zur Richtung ihrer eine erste Achse bildenden Längsachse auf ihren Außenseiten jeweils viereckförmige Konturen mit verrundeten Ecken auf.
Ebenso ist von Vorteil, wenn die Federschenkel im Querschnitt in zu einer zweiten und einer dritten Achse jeweils diagonalen Richtung an den voneinander abgewandten Seiten, d. h. an den Außenkanten, jeweils eine muldenförmige Ausnehmung aufweisen.
Dadurch, dass die Federschenkel mit Vorteil an ihren einsteckseitigen Spitzen in Einsteckrichtung jeweils verrundet sind, lassen sie sich leicht in die Bohrung einer Leiterplatte einführen. Es wird eine sanfte Einführung in die Leiterplatte ermöglicht, so dass diese geschont wird. Hierdurch werden die Leiterbahnen auf der Leiterplatte und umliegende Bauteile wenig belastet. Ein Einknicken der Einpresszone der Leiterplatte wird vermieden. Das erfindungsgemäße Kontaktelement hat einen hohen elastischen Deformationsanteil, der höher ist als der von Kontaktelementen nach dem Stand der Technik.
Vorzugsweise wird vorgesehen, dass der Spalt entgegen der Einsteckrichtung über die Länge der Mulde in Richtung zu dem Kontaktpfosten hinausragt. Auch durch diese Maßnahme wird die Elastizität der Federschenkel unterstützt.
In vorteilhafter Weise haben die Schenkel in der ersten Richtung in etwa in der Mitte ihrer Länge jeweils eine breitere Kontur, die sich sowohl in Richtung zu dem Kontaktpfosten als auch zu ihren Spitzen hin jeweils verjüngt.
Vorzugsweise verläuft die zwischen den Schenkeln gebildete Mulde in der ersten Richtung, d. h. in der Steckrichtung, in Richtung zu dem Kontaktpfosten flacher und in Richtung zu den Spitzen der Schenkel ebenfalls flacher, steigt dort also leicht an.
Zur Herstellung einer guten und dauerhaften Leitfähigkeit wird vorzugsweise eine galvanische Beschichtung verwendet. Dadurch wird eine besonders niedrige Einpresskraft in die Leiterplatte gewährleistet und durch die Torsionskraft der einzelnen Schenkel eine optimale Kontaktierungsoberfläche zur Leiterplattenbohrung gebildet. Die offenen Spitzen der Federschenkel ermöglichen eine flache Federkennlinie mit einer besonders sanften und niedrigen Einpresskraft beim Einbringen in eine Bohrung.
Die gemäß der Erfindung ermöglichte Kontaktierung basiert auf einer flexiblen Einpresszone, wie sie durch die beiden Federschenkel gebildet wird. Gegenüber herkömmlichen Kontaktelementen weist das erfindungsgemäß vorgesehene Kontaktelement eine verringerte Streuung der Federkraft auf. Durch die Form der Federschenkel kommt es zu einer gleichmäßigen Verteilung der Hertzschen Pressungen und der Deformationen in den Kontaktzonen; insbesondere sind diese gegenüber Kontaktelementen nach dem Stand der Technik viel geringer. Es kommt nur zu einer minimalen Verformung der metallischen Durchkontaktierung in der Leiterplattenbohrung, so dass sich das Kontaktelement auch für dünne Leiterplatten eignet. Ebenso wird durch die gewählte Form der Federschenkel mit der muldenförmigen Ausnehmung eine gute Selbstkonzentrierung in der Einpresszone erreicht.
Ebenso sorgt die Form der Federschenkel auch dafür, dass ein großer Leiterquerschnitt bei gleichzeitig großem Deformationsweg vorhanden ist. Dadurch ergibt sich eine hohe Stromtragfähigkeit bei geringer Stromerwärmung: Das Kontaktelement hat eine kompakte Bauweise, die die Miniaturisierung unterstützt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht auf ein Kontaktelement,
Fig. 2: eine Schnittansicht des Kontaktelements gemäß Fig. 1 entlang einer Schnittlinie I - I aus Fig. 1,
Fig. 3: eine Seitenansicht des Kontaktelements,
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht der Vorderseite des Kontaktelements,
Fig. 5: eine Ansicht von der vorderen Spitze her,
Fig. 6: eine perspektivische Ansicht der Rückseite des Kontaktelements,
Fig. 7: eine Schnittansicht eines Ausschnitts des Kontaktelements, das in einer Spannvorrichtung eingespannt ist,
Fig. 8a - 8c: perspektivische Ansichten eines Ausschnitts eines mit seinen Federschenkeln in eine Bohrung einer Leiterplatte eingesteckten Kontaktelements von der Rückseite, wobei die Federschenkel in den verschiedenen Steckpositionen die Bohrung der Leiterplatte durchragen, und
Fig. 9a - 9c: zu den perspektivischen Ansichten gemäß Fig. 8a bis 8c zugehörige Schnittansichten, jeweils gemäß einer zugehörigen Schnittlinie VIIIa - VIIIa, Vlllb - Vlllb bzw. Vlllc - Vlllc des Kontaktelements entsprechend den Steckpositionen in der Leiterplatte.

Ein Kontaktelement 1 (Fig. 1 bis 6) umfasst an seinem oberen Ende einen Kontaktpfosten 2, der seinerseits an seinem unteren Ende zwei einstückig mit dem Kontaktpfosten 2 verbundene und durch einen schmalen Spalt 3 voneinander getrennte Federschenkel 4, 5 trägt. Der Spalt 3 erstreckt sich in Richtung einer Achse A und hat über seine ganze Länge vorzugsweise dieselbe Breite; der Spalt 3 entsteht beim Stanzen durch einen Scherprozess.
Die Federschenkel 4, 5 weisen an ihren Außenseiten jeweils konvex gebogene äußere Konturen 6, 7 auf. Außerdem weisen die Federschenkel eine achssymmetrische, den Spalt 3 übergreifende muldenförmige Ausnehmung oder Vertiefung 8 auf, die sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Federschenkel 4, 5 oder die Länge des Spalts 3 erstreckt, die aber auch eine größere oder geringere Länge als der Spalt 3 haben kann. An ihren Spitzen 16 bzw. 17 weisen die Federschenkel 4, 5 jeweils eine Verrundung auf.
Die Vertiefung 8 bildet im Querschnitt (Fig. 2), d. h. quer zur Richtung der Achse A, eine im Wesentlichen trapezförmige Ausnehmung 9. Seitlich der Ausnehmung bilden die Federschenkel 4, 5 jeweils viereckförmige Konturen 10, 11 und 12, 13, die jeweils verrundete Ecken aufweisen. In einer zu einer Achse B und einer Achse C diagonalen Richtung ist zwischen den viereckförmigen Konturen 10 und 12 eine Mulde 14 und zwischen den Konturen 11 und 13 eine Mulde 15 vorhanden.
Die Vertiefung 8 flacht sich sowohl in Richtung zu dem Kontaktpfosten 2 als auch in Richtung zu den Spitzen 16, 17 ab.
Ein zwischen Backen 18, 19 (Fig. 7) einer Spannvorrichtung 20 mit seinen Federschenkeln 4, 5 eingebrachtes Kontaktelement 1 zeigt insbesondere in den durch Pfeile D, E, F, G angedeuteten Richtungen eine gute Anlage an den Backen 18, 19.
Zu Beginn des Einsteckens des Kontaktelements 1 in eine Bohrung 21 (Fig. 8a, Fig. 9a) in einer Leiterplatte, deren Bohrung in Fig. 8a - 8c jeweils durch den dunkel eingefärbten Bereich dargestellt ist, werden die Federschenkel 4, 5 zunächst nur in dem an die Vertiefung 8 angrenzenden Bereich zusammengedrückt, so dass der Spalt 3 in diesem Bereich verschwindet und nur noch in dem an die Konturen 12, 13 angrenzenden Bereich erhalten bleibt.
Bei fortschreitendem Einstecken des Kontaktelements 1 in die Bohrung 21 (Fig. 8b, 8c; Fig. 9b, 9c) verbreitert sich der Spalt 3 in dem an die Konturen 12, 13 angrenzenden Bereich im Querschnitt keilförmig zu einem Spalt 3' (Fig. 8b) und einem Spalt 3" (Fig. 8c), indem die Konturen 12, 13 durch die Innenwandung der Bohrung 21 geführt und dadurch während des Einstecken weiter tordiert werden.
Dabei liegen die Konturen 12, 13 schließlich großflächig an der Innenwandung der Bohrung 21 an und stellen eine breite Kontaktzone mit der Bohrung 21 her, so dass eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit beim Übergang von den Federschenkeln 4, 5 zu der Bohrung 21 erzeugt werden. Gleichzeitig entstehen großflächige gasdichte Kontaktbereiche .22, 23, in die insbesondere kein Sauerstoff eindringen kann, wodurch Korrosion in den Kontaktbereichen 22, 23 verhindert wird.

Bezugszeichenliste

1: Kontaktelement
2: Kontaktpfosten
3: Spalt
4: Federschenkel
5: Federschenkel
6: Kontur
7: Kontur
8: Vertiefung
9: Ausnehmung
10: Kontur
11: Kontur
12: Kontur
13: Kontur
14: Mulde
15: Mulde
16: Spitze
17: Spitze
18: Backe
19: Backe
20: Spannvorrichtung
21: Bohrung
22: Kontaktbereich
23: Kontaktbereich
A: Achse
B: Achse
C: Achse
D: Pfeil
E: Pfeil
F: Pfeil
G: Pfeil

Claims

Kontaktelement (1) zur Herstellung einer Steckverbindung mit einer eine innere Wandung aufweisenden Bohrung (21), wobei das Kontaktelement (1) als Kontaktpfosten (2) mit einem einstückig daran angebrachten Federelement ausgebildet ist, welches zwei zueinander parallele Federschenkel (4, 5) aufweist, die Federschenkel (4, 5) in einer Steckrichtung durch einen über seine gesamte Länge die gleiche Breite aufweisenden Spalt (3) voneinander getrennt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Federschenkel (4, 5) quer zur Steckrichtung und quer zu dem Spalt (3) eine konvex gebogene äußere Kontur haben und in der Bohrung (21) in einer zur Steckrichtung transversalen Ebene in Richtung zu einem Mittelpunkt der Bohrung (21) verbiegbar und durch eine Drehbewegung verformbar sind, dass die Federschenkel (4, 5) eine achssymmetrische, den Spalt (3) übergreifende muldenförmige Ausnehmung oder Vertiefung (8) aufweisen, die sich über die gesamte Länge der Federschenkel (4, 5) oder die Länge des Spalts (3) erstreckt, dass die muldenförmige Ausnehmung oder die Vertiefung (8) im Querschnitt trapezförmig ist und dass die Federschenkel (4, 5) seitlich der Ausnehmung oder der Vertiefung (8) jeweils viereckige Konturen (10, 11, 12, 13) bilden, die jeweils verrundete Ecken aufweisen, und dass der Spalt (3) auf der der inneren Wandung der Bohrung (21) zugewandten Seite verbreiterbar ist.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Drehpunkt der Drehbewegung im Bereich des Spalts (3) liegt.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Federschenkel (4, 5) im Querschnitt in zu einer zweiten (B) und einer dritten Achse (C) jeweils diagonalen Richtung an den voneinander abgewandten Seiten jeweils eine muldenförmige Kontur (13, 14) aufweisen.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Federschenkel (4, 5) an ihren einsteckseitigen Spitzen (16, 17) in Einsteckrichtung jeweils verrundet sind.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Spalt (3) entgegen der Einsteckrichtung über die Länge der Vertiefung (8) in Richtung zu dem Kontaktpfosten (2) hinausragt.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Federschenkel (4, 6) in Richtung ihrer Längsachse in etwa in der Mitte ihrer Länge jeweils eine breitere Kontur (10, 11) haben, die sich sowohl in Richtung zu dem Kontaktpfosten (2) als auch zu ihren Spitzen (16, 17) hin jeweils verjüngt.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die zwischen den Federschenkeln (4, 5) gebildete Vertiefung (8) in der ersten Richtung (A) in Richtung zu dem Kontaktpfosten (2) flacher und in Richtung zu den Spitzen (16, 17) der Federschenkel (4, 5) ebenfalls flacher ausgebildet ist.