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Dokumentenidentifikation DE60130443T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001271582
Titel METALLFOLIE MIT AUSGEZEICHNETER ELEKTRISCHER KONTAKTSTABILITÄT
Anmelder Nippon Steel Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder KIHIRA, Hiroshi, Futtsu-shi, Chiba 293-0011, JP;
KIKUCHI, Masao, Chiyoda-ku, Tokyo 100-8071, JP
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 60130443
Vertragsstaaten DE, FI, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.03.2001
EP-Aktenzeichen 019157502
WO-Anmeldetag 23.03.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/JP01/02372
WO-Veröffentlichungsnummer 2001071740
WO-Veröffentlichungsdatum 27.09.2001
EP-Offenlegungsdatum 02.01.2003
EP date of grant 12.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse H01H 1/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metallfolie mit einer ausgezeichneten elektrischen Kontaktstabilität, die als Material einer Metalltellerfeder für eine Taste, einen Tastschalter, usw. eines elektronischen Geräts, in einem Kabelanschluss-Klemmbrett eines elektrischen Signalübertragungssystems und für ähnliche Zwecke verwendet wird.

Tasten für Mobiltelefone und Tastschalter für verschiedenartige elektronische Geräte, bei denen die Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung extrem voranschreiten, müssen das Gefühl eines deutlichen Klickens vermitteln, wenn sie gedrückt werden. Daher werden für Tasten und Tastschalter dünne und elektrisch leitfähige Metalltellerfedern verwendet, die die Funktion zum Schalten einer Schaltung haben, indem sie direkt mit einem auf einer Leiterplatte oder einem Schaltsubstrat ausgebildeten Metallmuster in Kontakt gebracht werden oder ein Kontakt dazwischen unterbrochen wird.

Die- Hauptfunktion von für Mobiltelefone und verschiedenartige elektronische Geräte verwendeten Tasten und Tastschaltern ist die Übertragung von Signalen zu in den Geräten angeordneten Mikroprozessoren, digitalen Schaltungen oder ähnlichen Elementen. Wenn eine Schaltung durch Drücken eines Schalters mit einer schlechten elektrischen Kontaktstabilität geschlossen wird, tritt aufgrund der Schwankung eines Widerstands oder ähnlicher Ursachen am Kontaktabschnitt eine über den Schwellenwert eines High-Potentials und eines Low-Potentials hinaus gehende Spannungsschwankung auf, was zu einer fehlerhaften Erkennung der Anzahl der Betätigungen des Schalters führt. D.h., es ist wesentliche Voraussetzung, dass ein derartiger Schaltung eine sehr geringe Spannungsänderung erzeugt, wenn sie geschlossen wird.

Bisher sind Kabelanschluss-Klemmbretter mit schraubbaren Anschlüssen weit verbreitet für elektrische Signalübertragungssysteme verwendet worden, für eine einfachere Kabelverbindung werden jedoch Druckkontakt-Kabelanschluss-Klemmbretter verwendet, in denen federelastische Metallbänder angeordnet sind. Wenn die elektrische Kontaktstabilität eines derartigen Anschlusses beeinträchtigt wird, wird Rauschen erzeugt, was zu verschiedenartigen Fehlfunktionen oder Störungen führt.

Phosphorbronze oder rostfreier Stahl des Typs SUS 301, die hochgradig federelastisch sind, sind herkömmlich als Materialien für Metallfedern für einen elektrischen Kontakt verwendet worden. Hierbei tritt jedoch das Problem auf, dass, wenn eine Tellerfeder, die aus einer aus einem derartigen Metall hergestellten Folie hergestellt wird, in einem Schalter verwendet wird, keine ausreichende elektrische Kontaktstabilität gewährleistet werden kann. Daher ist eine aus einem derartigen Metall hergestellte Folie verwendet worden, nachdem sie mit einem Metall, z.B. Gold, Silber und Nickel, plattiert worden ist.

Eine bekannte Technik, durch die versucht wird, das Problem zu lösen, ist in der JP-A-63-137193 mit dem Titel "Stainless Steel Contact Material for Electronic Components and Method of Producing the Same" beschrieben. In dieser Veröffentlichung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Kontaktmaterials aus rostfreiem Stahl für elektronische Komponenten beschrieben, das eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Federelastizität aufweist, indem die Oberfläche eines rostfreien Stahlsubstrats nacheinander derart mit Ni, Cu, Ni und einer Au-Legierung plattiert wird, dass jede Plattierung eine vorgegebene Dicke aufweist.

Gemäß dieser Veröffentlichung ist das Verfahren folgendermaßen spezifiziert. Erstens wird auf der Oberfläche eines rostfreien Stahlsubstrats durch Elektrolyse unter Verwendung eines Elektrolyts, der NiCl2 und freies HCl enthält, und unter Verwendung des rostfreien Stahlsubstrats als Kathode zum Verbessern der Haftfähigkeit der nachfolgenden Cu-Plattierung eine Ni-Plattierungsschicht mit einer Dicke von 0,05 bis 0,5 &mgr;m ausgebildet. Zweitens wird zum Erzeugen einer elektrischen Leitfähigkeit darauf eine Cu-Plattierungsschicht mit einer Dicke von 2 bis 50 &mgr;m durch Elektrolyse unter Verwendung eines Elektrolyts, der CuSO4 und freies H2SO4 enthält, ausgebildet. Drittens wird darauf zum Schützen der Cu-Schicht eine Ni-Plattierungsschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 5 &mgr;m durch Elektrolyse unter Verwendung eines Elektrolyts ausgebildet, der NiSO4 und NiCl2 enthält.

Schließlich wird zum Verbessern der Verschleißfestigkeit und der Korrosionsbeständigkeit eines Kontaktabschnitts eine Plattierungsschicht aus einer Au-Legierung mit einer Dicke von 0,05 bis 1 &mgr;m durch Elektrolyse unter Verwendung eines Elektrolyts ausgebildet, der KAu(CN)2 und ein Salz von Metallen, mit Ausnahme von Au, z.B. Ni und Cu, mit Sulfaminsäure enthält.

Das in der Veröffentlichung beschriebene Verfahren erfordert jedoch komplizierte Herstellungsprozesse, wie vorstehend beschrieben wurde, so dass es kostenintensiv ist. Daher ist es wünschenswert, eine Plattierung nur bezüglich eines lokalen Kontaktabschnitt anzuwenden.

In der US-A-4775599 ist ein kaltgewalztes Stahlblech oder ein plattiertes Stahlblech mit einer verbesserten Formpressbarkeit sowie einer ausgezeichneten Phosphatierbarkeit, einer Beständigkeit bezüglich Kaltverschweißen und einer Punktschweißbarkeit dargestellt, das hergestellt wird durch Kontrollieren eines Oberflächenrauhigkeitsmusters des Stahlblechs derart, dass eine mittlere Oberflächenrauhigkeit an der Mittellinie von 0,3–2,0 &mgr;m und ein die Regelmäßigkeit der Oberflächenrauhigkeit definierender Regelmäßigkeitsparameter in mindestens einer Richtung von nicht mehr als 0,25 erhalten werden.

Wie vorstehend beschrieben wurde, wird, wenn ein federelastisches Metallmaterial ohne Oberflächenbehandlung als elektrisches Kontaktmaterial verwendet wird, die elektrische Stabilität eines Kontaktpunkts beeinträchtigt. Als allgemeine Gegenmaßnahme ist bisher eine Plattierung mit einem Metall, wie beispielsweise Gold, Silber und Nickel, das kaum eine Oxidschicht bildet, angewendet worden, dies führt jedoch unvermeidbar zu einem Nachteil hinsichtlich hoher Materialkosten.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallfolie mit einer ausgezeichneten elektrischen Kontaktstabilität bereitzustellen, für die kein Plattierungsprozess erforderlich ist, und durch die die Kosten durch Eliminieren von Plattierungsprozessen gesenkt werden.

Diese Aufgabe kann durch die im Patentanspruch spezifizierten Merkmale gelöst werden.

Phosphorbronze oder rostfreier Stahl wird als federelastisches Metall für Schalter verwendet, es bildet sich jedoch natürlicherweise eine Oxidschicht auf der Oberfläche des Metalls aus, wenn das Metall der Atmosphäre ausgesetzt ist, so dass ein Kontaktwiderstand erzeugt wird. Außerdem ist, weil der elektrische Kontakt bisher durch Drücken einer glatten Metalloberfläche gegen eine als Gegenstück dienende Metalloberfläche hergestellt worden ist, die Dichte von Kontaktpunkten pro Flächeneinheit gering gewesen, der Zustand der Kontakte mit einer Oxidschicht dazwischen ist durch leichte Vibrationen gestört worden, usw., so dass eine große und schnelle Schwankung des Kontaktwiderstands erzeugt und die elektrische Kontaktstabilität beeinträchtigt worden ist.

Hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Situation und basierend auf den Tatsachen, dass die Ausbildung einer sehr dünnen Oxidschicht auf der Oberfläche eines Metallmaterials eine schwer kontrollierbare natürliche Erscheinung war, und dass die elektrische Kontaktstabilität durch Erhöhen der Druckkraft verbessert werden konnte, auch wenn sich eine Oxidschicht ausgebildet hat, haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass eine gute elektrische Kontaktstabilität auch bei einer leichten Druckkraft erzielt werden kann, indem die Dichte von Kontaktpunkten pro Flächeneinheit erhöht wird, wobei, um dies zu realisieren, das Verhältnis zwischen dem mittleren Intervall von Konkavitäten und Konvexitäten in der Oberflächenrauhigkeit und dem arithmetischen Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit Ra ein wichtiger Faktor ist. Die vorliegende Erfindung wurde basierend auf diesen Feststellungen entwickelt.

Eine Metallfolie mit einer Dicke von 0,3 mm oder weniger, die kaltausgehärtet ist, um eine Federelastizität bereitzustellen, wird allgemein als Material für elektrische Kontakte verwendet. Eine Taste oder ein Tastschalter wird konstruiert durch Ausschneiden von Komponenten in eine Scheibenform vom Metallfolienmaterial, Ausbilden der Scheiben in eine schalenförmige konkave Form, Anordnen der scheibenförmigen Komponenten auf Schaltungsmustern aus einer Kupferfolie, die auf einem mit Gold, Silber und/oder Nickel plattierten Substrat aufgedruckt ist, so dass die Schaltung geschlossen wird, wenn eine der scheibenförmigen Komponenten gedrückt wird, und anschließendes Aufbringen von Kunststoffabdeckungen, Kunststoffteilen und Gehäusekomponenten darauf, um die Finger einer Bedienungsperson von den elektrisch leitfähigen Abschnitten zu isolieren und ein glattes Berührungsgefühl zu vermitteln.

Auch im Fall von Kabelanschlüssen ändert sich das Verbindungsverfahren hinsichtlich der Einfachheit des Verbindungsvorgangs von herkömmlichen schraubbaren zu eindrückbaren Verbindern mit bandförmigen Federn. In jedem der elektrischen Kontakte ist die elektrische Kontaktstabilität einer der wesentlichen Faktoren zum Unterdrücken von Rauschen an einem Kontaktabschnitt und zum korrekten Übertragen elektrischer Signale zu anderen Komponenten. Insbesondere ist es im Bereich elektronischer Geräte, bei denen die Gewichtsreduzierung und Miniaturisierung rasant voranschreiten, unbedingt erforderlich, die Stabilität elektrischer Kontakte zu realisieren, auch wenn für elektrische Kontakte ein dünneres Metall verwendet wird, um eine geringe Betätigungsdruckkraft zu ermöglichen.

Die vorliegenden Erfinder haben als ein Verfahren zum Bewerten derartiger technischer Bedingungen ein Verfahren zum Messen der Spannungsschwankung eines Kontakts zwischen i) einem kugelförmigen elektrischen Kontaktelement, das durch Bearbeiten eines Endes einer Kupferstange mit einem Durchmesser von 3 mm in eine Kugelform und Plattieren des Elements mit Ni in einem Strike-Plattierungsbad und anschließend mit Gold hergestellt wurde, und ii) einer Metallfolie entwickelt, während das Kupferkontaktelement mit einer Last von 5 g auf die Folie gedrückt wird.

In diesem Verfahren wird unter Verwendung einer Trockenzelle als Spannungsquelle und der Metallfolie als Erde und Anordnen einer Spannungsregelungsschaltung und eines Widerstands derart, dass das Potenzial des kugelförmigen elektrischen Kontaktelements 1,8 V beträgt, wenn es nicht mit der Folie in Kontakt steht, ein elektrischer Stromkreis erzeugt. Wenn das kugelförmige elektrische Kontaktelement die Metallfolie unter der vorstehenden Bedingung berührt, wird, weil der elektrische Widerstand des Kontaktpunkts nahezu null beträgt und der größte Teil der angelegten Spannung dem zwischen der Spannungsregelungsschaltung und dem kugelförmigen elektrischen Kontaktelement angeordneten Widerstand zugeführt wird, das Potenzial des kugelförmigen elektrischen Kontaktelements dem Erdpotenzial im Wesentlichen gleich.

Hierbei schwankt, wenn die elektrische Kontaktstabilität der Metallfolie hoch ist, das Potenzial des kugelförmigen elektrischen Kontaktelements nicht und bleibt praktisch bei 0 V, aber wenn seine elektrische Kontaktstabilität schlecht ist, ändert sich der Messwert des Potenzials von Zeit zu Zeit, und durch leichte Vibrationen oder ähnliche Einwirkungen von außen können spike-ähnliche Spannungsänderungen auftreten. Im Fall einer digitalen Schaltung kann die letztgenannte Situation dazu führen, dass ein Signal, das eigentlich ein an eine elektronische Schaltung zu übertragendes Low-Potenzial-Signal sein sollte, als mehrere Signale erscheint, und im Fall einer Audioschaltung oder einer Sendeschaltung können dadurch Rauschen erzeugt und Probleme verursacht werden.

Das Testverfahren wird unter der Bedingung einer geringen Druckkraft ausgeführt, wobei diese Bedingung kritischer ist als die Bedingungen bei einem Kontakt, der in einem realen elektronischen Gerät verwendet wird. Die vorliegenden Erfinder haben jedoch entschieden, dass die Bedingung zum Bewerten der Zuverlässigkeit einer Metallfolie geeignet ist, durch die eine gute elektrische Kontaktstabilität ohne Plattierung erhalten werden kann, wobei die Metallfolie durch Kontrollieren der Oberflächenform hergestellt wird.

Bei der Bewertung einer Metallfolie durch das Testverfahren wird eine Metallfolie, die eine Potenzialschwankung von 50 mV oder weniger zeigt, wenn ein Kontakt geschlossen wird, als gut bezeichnet (und durch O markiert), und eine Metallfolie, die eine Potenzialschwankung von mehr als 50 mV zeigt, als schlecht (x) bezeichnet. Wie im nachstehenden Beispiel erläutert wird, tritt, wenn das Verhältnis eines arithmetischen Mittelwertes der Rauhigkeit Ra zu einem mittleren Intervall Sm der Konkavitäten und Konvexitäten 0,001 oder mehr beträgt, kein Kontaktfehler auf, und wenn das Verhältnis kleiner ist als 0,001, können Kontaktfehler auftreten.

Beispiel

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels näher erläutert.

Tabelle 1 zeigt die Bewertungsergebnisse der unter Verwendung von rostfreiem Stahl als Basismaterial hergestellten Metallfolien, und Tabelle 2 zeigt die Bewertungsergebnisse der unter Verwendung von Phosphorbronze als Basismaterial hergestellten Metallfolien. In den Tabellen sind der gemäß JIS B 0601-1994 spezifizierte arithmetische Mittelwert der Rauhigkeit Ra, das mittlere Intervall Sm der Konkavitäten und Konvexitäten und das Verhältnis Ra/Sm dazwischen als Ergebnisse der Messung der Oberflächenrauhigkeit jedes Materials aufgelistet.

Die Oberflächenrauhigkeit wurde unter Verwendung einer Kontakt-Oberflächenrauhigkeitsmessvorrichtung (SURFCOM 1400A-3D, hergestellt von Tokyo Seimitsu Co., Ltd.) gemessen, die die Daten von Konkavitäten und Konvexitäten entlang einer Länge von 4 mm durch Abtasten der Oberfläche durch eine Kontaktsonde in der Richtung bereitstellte, in der das mittlere Intervall Sm der Konkavitäten und Konvexitäten am kleinsten war. Basierend auf den Messergebnissen wurde die vorstehende Bewertung ausgeführt.

Die Oberflächenungleichmäßigkeit wurde einem Material durch eine Walzbearbeitung durch Walzen mit stumpfer Oberfläche, geprägte Walzen oder ähnliche Walzen, eine Schleifbearbeitung mit einem Schleifmittel, einer Bandschleifbearbeitung mit Siliziumkarbidpapier, oder einer Oberflächenbearbeitung durch Sandstrahlen verliehen. Jedes dieser Verfahren ist für eine Massenproduktion und eine Kostensenkung geeignet.

Anhand der Tabellen 1 und 2 ist ersichtlich, dass, wenn das Verhältnis Ra/Sm 0,001 oder mehr beträgt, das Material eine gute elektrische Kontaktstabilität aufweist. Dadurch können die Gültigkeit und Effektivität der vorliegenden Erfindung verifiziert werden.

Hierbei ist der arithmetische Mittelwert der Rauhigkeit Ra ein Wert, der basierend auf der Definition der Höhe der Ungleichmäßigkeit einer Oberfläche entspricht, und das mittlere Intervall Sm der Konkavitäten und Konvexitäten wird als Wert interpretiert, der der Periodizität der Ungleichmäßigkeit entspricht. Dies zeigt die Gültigkeit der Grundidee der vorliegenden Erfindung, dass eine gute elektrische Kontaktstabilität durch Erhöhen der Dichte der Kontaktpunkte pro Flächeneinheit realisiert werden kann, obwohl die Existenz einer Oxidschicht in gewissem Maße zulässig ist.

Wie vorstehend beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß die elektrische Kontaktstabilität von Schaltelementen und Anschlüssen für elektronische Geräte verbessert werden, bei denen die technologische Entwicklung hinsichtlich einer Gewichtsreduzierung und Miniaturisierung fortschreitet, ohne dass ein Plattierungsprozess angewendet wird, und es kann eine Metallfolie mit einer ausgezeichneten elektrischen Kontaktstabilität bereitgestellt werden. Daher trägt die vorliegende Erfindung zu einer Kostensenkung elektronischer Geräte bei und ist damit von besonderem industriellen Nutzen.


Anspruch[de]
Metallfolie mit einer Oberflächenrauhigkeit, wobei das Verhältnis Ra/Sm zwischen dem arithmetischen Mittelwert der Rauhigkeit Ra und dem mittleren Intervall Sm von Konkavitäten und Konvexitäten 0,001 oder mehr beträgt, wobei die Mittelwerte durch Messen der Rauhigkeit in der Richtung erhalten werden, in der das mittlere Intervall Sm der Konkavitäten und Konvexitäten auf der Oberfläche am kleinsten ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Metallfolie rostfreier Stahl oder Phosphorbronze ist.






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