Titel

Kontaktelement und Verfahren zu dessen Herstellung Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kontaktelement zur Kontaktierung einer an einem Körper, insbesondere einem keramischen Sensorelement eines Gassensors, ausgebildeten elektrischen Kontaktstelle nach dem Oberbegriff des An- Spruchs 1.

Eine bekannte elektrische Kontaktierung eines Sensorelements eines Gassensors oder Gasmessfühlers mit den elektrischen Leitern eines Anschlusskabels (DE 196 38 208 C2) weist mindestens ein Kontaktteil oder Kontaktelement auf, das sich kraftschlüssig auf eine von am anschlussseitigen Abschnitt des Sensorelements ausgebildeten Kontaktstellen aufdrückt. Das Kontaktelement weist einen sensorelement- oder kontaktstellenseitigen Abschnitt, der mit Federwirkung auf der Kontaktstelle aufliegt, einen anschlussseitigen Abschnitt, der mit einem elektrischen Leifer des Anschlusskabels verbunden ist, und einen bogenförmigen Zwischenabschnitt auf, der zum Ausgleich von thermischen und/oder mechanischen Ausdehnungen und Bewegungen des Kontaktelements dient. Das Kontaktelement besteht aus Nickel oder einer Nickellegierung und die Kontaktstelle aus einem gesinterten Platin-Cermet mit mindestens 95% Platin. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Kontaktelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Kontaktelement bereits bei Anlieferung und Einbau z. B. in den Gassensor über funktionsspezifisch zugeschnittene Bereiche verfügt, die den im Betrieb gestellten Anforderungen genügen. Dies reduziert die Kosten und verbessert und erleichtert die Montage. So kann der Einsatz von teurem, warm- festem Material auf den kontaktstellenseitigen Elementabschnitt beschränkt und der anschlussseitige Elementabschnitt mit geringerer Festigkeit hergestellt werden, was wiederum den Crimpprozess beim Anschließen eines elektrischen Leiters eines Anschlusskabels an das Kontaktelement erleichtert und den Ver- schleiß des Crimpwerkzeugs reduziert. Das ganzheitliche Kontaktelement ist eine fertige Baueinheit, so dass bei späterer Montage des Kontaktelements zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung, z.B. in einem Gassensor, wie bei der Sensor- und Kabelbaummontage, komplexe Prozesse für das Verbinden der einzelnen Elementabschnitte entfallen.

Durch die in den weiteren Ansprüchen 2 bis 6 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Kontaktelements möglich. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der kontakt- stellenseitige Elementabschnitt aus einer warmfesten Legierung gemäß DIN 10269. Der Einsatz dieser warmfesten und hochwarmfesten Nickelbasislegierungen stellt eine hohe Kontaktkraft bei großer Lebensdauer des Kontaktelements sicher.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der anschlussseitige Elementabschnitt aus einem korrosionsbeständigen Stahl, der 1.43xx-Familie gemäß DIN 10088, z.B. aus dem Stahl 1.4303. Dieses Material hat eine ausreichend hohe Bruchdehnung und eine geringe Neigung zur Kaltver- festigung. Es ist gut verformbar und eignet sich daher sehr gut zum Crimpen zwecks Verbinden des anschlussseitigen Elementabschnitts mit dem elektrischen Leiter des Anschlusskabels und vermeidet einen zu starken Verschleiß des Crimpwerkzeugs, so dass dieses eine hohe Standzeit erzielt. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Umformbarkeit des anschlussseitigen Endabschnitts wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dieses Material im lösungsgeglühten Zustand eingesetzt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der Zwischenabschnitt aus einem kaltverfestigten, korrosionsbeständigen Stahl der 1.43xx-Familie gemäß DIN 10088, beispielsweise aus dem Stahl 1.4310. Durch diese Materialauswahl wird, vorzugsweise noch in Verbindung mit einer entspre- chenden geometrischen Gestaltung des Zwischenabschnitts, z.B. einen Ausdeh- nungsbogen, die Dehnbarkeit des Zwischenabschnitts, also dessen axiale Federkennlinie, so eingestellt, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen weiterer Bauteile z. B. in einem Gassensor kompensiert werden. Bei einem Gassensor ist das Kontaktelement über den elektrischen Leiter des Anschlusskabels und einer Elastomertülle mit einer metallischen Schutzhülse verbunden, die sich bei Temperaturanstieg deutlich stärker ausdehnt als das Sensorelement. Durch den im Zwischenabschnitt stattfindenden Dehnungsausgleich kommt es zu keiner Relativbewegung zwischen Kontaktstelle am Sensorelement und Kontaktelement, so dass eine Erhöhung des Übergangswiderstands infolge von Reibkorrosionen unterbunden ist. Der kaltverfestigte Zustand, der zu einer hohen Streckgrenze des Zwischenabschnitts führt, bietet zudem den Vorteil, dass die Verformungskennlinie im elastischen Bereich verbleibt und damit eine zyklisch auftretende Verformung reversibel ist. Ebenso verbleibt eine zyklische Verformung im Zwischenabschnitt, die durch Schwingungen des in einem Kontakthalter nur teilweise aufgenommenen Kontaktelements ausgelöst wird, im elastischen Bereich und ist dad- mit reversibel, so dass das Kontaktelement - und damit der Gassensor - einer höheren Schwingbelastung ausgesetzt werden kann.

Erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Kontaktelements mit seinen bezüglich ihrer Materialeigenschaften funktionell angepassten Elementabschnitten sind in den Ansprüchen 8, 9 und 10 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 hat den Vorteil, dass die einzelnen Elementabschnitte in fertigungstechnisch günstiger Weise auf die entsprechenden funktionalen Anforderungen hin zugeschnitten werden können. Die teilweise einstückige Ausführung des Zwischenabschnitts mit dem kontaktstellenseitigen Elementabschnitt und dem anschlussseitigen E- lementabschnitt reduziert die Anzahl der zu fügenden Einzelteile, ohne dass die Anpassung des Zwischenabschnitts an die funktionale Anforderung des Ausgleichs unterschiedlicher Wärmeausdehnungen nennenswert beeinträchtigt wird. Das Fügen und stoffschlüssige Verbinden der beiden Einzelteile stellt einer späteren Montage, z. B. des Gassensors, ein fertiges, ganzheitliches Kontaktelement zur Verfügung, so dass komplexe Montageprozesse, z. B. während der Sensor- und Kabelbaummontage eines Gassensors, entfallen und die Montagekosten deutlich sinken. Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 hat den Vorteil, dass durch die Herstellung des Multimetallbandes aus drei verschiedenen Metallbändern sich das Kontaktelement durch einen einfachen

Stanz/Biegeprozess in einem einzigen Arbeitsgang gewinnen lässt. Gegenüber der Zusammensetzung des Kontaktelement aus die verschiedenen Elementabschnitte repräsentierenden Einzelteilen lässt sich der Fertigungsprozess vereinfachen, was zu einer deutlichen Reduzierung der Fertigungskosten führt. Allerdings lässt die Vorhaltung von drei materialverschiedenen Metallbändern und die stoffschlüssige Verbindung der drei Metallbänder längs ihrer aneinanderliegenden, längsseitigen Stoßkanten den Fertigungsaufwand nicht so extrem sinken, wie dies wünschenswert wäre.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 hat den Vorteil, dass durch das Zusammenlegen von anschlussseitigem Endabschnitt und Zwischenabschnitt bezüglich der Materialauswahl die Herstellung eines Bimetallbands durch eine einzige stoffschlüssige Verbindung längs der Stoßkanten der beiden materialverschiedenen Metallbänder möglich ist und dadurch die Fertigungskosten weiter sinken. Die materialgleiche Ausführung des Zwischenabschnitts mit dem anschlussseitigen Elementabschnitt beeinträchtigt zwar etwas die optimale Auslegung der axialen Federkennlinie des Zwischenabschnitts und die Schwingfestigkeit, doch lässt sich beides durch eine angepasste geommetri- sche Formgebung des Zwischenabschnitts kompensieren. Als Verbindungspro- zess kann wie bei der Herstellung des dreibändigen Multifunktionsbandes Elektronenstrahl- oder Laserschweißen eingesetzt werden. Die Anforderungen an das Stanz- und Biegewerkzeug, einem sog. Folgeverbundwerkzeug, sind dabei unverändert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Kontaktelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 2 ausschnittweise eine Draufsicht eines aus drei Metallbändern bestehenden Multimetallbandes für den Stanz-/Biegeprozess des Kontaktelements in Figur 1 ,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Kontaktelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 ausschnittweise eine Draufsicht eines aus zwei Metallbändern bestehenden Bimetallbandes für den Stanz-/Biegeprozess des Kontaktelements in Figur 3,

Figur 5 eine perspektivischen Draufsicht des Kontaktelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 6 eine perspektivische Darstellung von Einzelstücken des Kontaktelements in Figur 5 vor ihrem Fügen.

Das in Figur 1 in perspektivischer Ansicht zu sehende Kontaktelement zur Kon- taktierung einer auf einem Körper ausgebildeten elektrischen Kontaktstelle dient beispielsweise zur Kontaktierung eines auf der Oberfläche eines keramischen Sensorelements eines Gassensors ausgebildeten flächigen Kontaktstelle. Dabei verbindet das Kontaktelement die Kontaktstelle des Sensorelements mit einem elektrischen Leiter eines zum Gassensor geführten Anschlusskabels. Ein solcher Gassensor mit Sensorelement, Anschlusskabel und Kontaktelement ist beispielsweise in der eingangs zitierten DE 196 38 208 C2 beschrieben.

Das Kontaktelement weist drei Elementabschnitte auf, und zwar einen kontakt- stellenseitigen Elementabschnitt 1 1 zur kraftschlüssigen Auflage auf der Kontaktstelle des Körpers, einen anschlussseitigen Elementabschnitt 12 zur Verbindung mit einem elektrischen Anschlussleiter und einen die beiden Elementabschnitt 11 , 12 miteinander verbindenen Zwischenabschnitt zum Ausgleich von thermischen Ausdehnungen. In Figur 1 sind der Vollständigkeit halber die am Körper 10 ausgebildete flächige Kontaktstelle 14, auf die der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 11 auffedert, und der elektrische Leiter 15, mit dem der an- schlussseitige Elementabschnitt 12 elektrisch leitend, z.B. durch Crimpen, verbunden wird, schematisiert angedeutet. Der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 1 1 , der anschlussseitige Elementabschnitt 12 und der Zwischenabschnitt 13 bestehen aus unterschiedlichen, stoffschlüssig verbundenen Materialien, die jeweils an die Funktionalität des jeweiligen Elementabschnitts angepasste Materialeigenschaften aufweisen. So besteht der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 1 1 aus einer warmfesten Legierung gemäß DIN 10269. Eine solche warmfeste oder hochwarmfeste Nickelbasislegierung stellt bei den bei Gassensoren geforderten hohen Temperaturen von über 400°C eine ausreichend hohe Kontaktkraft über die Lebensdauer des Kontaktelements sicher. Der anschlussseitige Elementabschnitt 12 besteht aus einem korrosionsbeständigen Stahl der 1.43xx-Familie gemäß DIN 10088, z.B. dem korrisionsbeständigen Stahl 1.4303. Ein solcher Stahl hat eine ausreichend hohe Bruchdehnung und eine geringe Neigung zur Kaltverfestigung, so dass er beim Crimpen zwecks Verbindung des anschlussseitigen Elementabschnitts 12 mit dem elektrischen Anschlussleiter 15 gut verformbar ist und keinen hohen Werk- zeugverschleiß des Crimpwerkzeugs erzeugt. Um eine noch bessere Umform- barkeit sicherzustellen, wird der korrosionsbeständige Stahl in einem lösungsgeglühten Zustand eingesetzt. Das Lösungsglühen bringt den Werkstoff in seinen Ausgangszustand zurück, wodurch neben der gleichmäßigen Verteilung der Legierungsbestandteile eine Abnahme von Verfestigungen erfolgt, so dass der Werkstoff weich und damit gut formbar ist. Der Zwischenabschnitt 13 besteht aus einem kaltverfestigten, korrosionsbeständigen Stahl der 1.43xx-Familie gemäß DIN 10088, z.B. dem korrosionsbeständigen Stahl 1.4310. Zur Sicherstellung einer linearen Kennlinie der Dehnbarkeit des Zwischenabschnitts 13 und der Schwingfestigkeit des Kontaktelements wird eine Kaltverfestigung durchgeführt. Zusätzlich zu der Materialwahl wird der Zwischenabschnitt 13 zur Verbesserung seiner Dehnbarkeit mit einer entsprechenden Geometrie ausgebildet, z.B. mit einem in Figur 1 ersichtlichen Bogen 131.

Zur Herstellung des Kontaktelements werden zunächst drei aus den genannten Materialien des kontaktstellenseitigen Elementabschnitts 11 , des Zwischenabschnitts 13 und des anschlussseitigen Elementabschnitts 12 bestehende Metallbänder 16, 17, 18 mit ihren Längskanten aneinandergelegt und miteinander Stoß an Stoß stoffschlüssig zu einem Multimetallband 19 verbunden (Figur 2). Die stoffschlüssige Verbindung kann dabei mittels Elektronenstrahl- oder Laser- Schweißens hergestellt werden. In Figur 2 ist ausschnittweise ein aus den drei

Metallbändern 16, 17, 18 bestehendes Multimetallband 19 in Draufsicht darge- stellt. Die beiden Stoßkanten, an denen die drei Metallbänder 16, 17, 18 miteinander verschweißt sind, sind mit 20 und 21 gekennzeichnet, wobei die Stoßkante 20 zwischen den Metallbändern 16 und 18 und die Stoßkante 21 zwischen den Metallbändern 17, und 18 verläuft. Aus diesem Multimetallband 19 werden nun- mehr Stanzteile 22 mit quer zur Stoßkante verlaufender Längserstreckung so ausgestanzt, dass der kontaktstellenseitige Endabschnitt 11 aus dem Metallband 16, der Zwischenabschnitt 13 aus dem Metallband 18 und der anschlussseitige Elementabschnitt 12 aus dem Metallband 17 hervorgeht.

In Figur 2 ist oben ein ausgestanztes Stanzteil 22 und Multimetallband 19 freige- stanzt, während weitere Stanzteile 22 zwar figürlich im Multimetallband 19 dargestellt aber noch nicht ausgestanzt sind. Alle Stanzteile 22 werden aus fertigungstechnischen Gründen noch über eine am linken Rand des Multimetallbands 19 verlaufende gelochte Bandleiste 191 zusammengehalten, werden aber später vereinzelt. Vorzugsweise zusammen mit dem Stanzprozess werden an jedem Stanzteil 22 der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 1 1 , der anschlussseitigen

Elementabschnitt 12 und der Zwischenabschnitt 13 ausgeformt, so dass das in Figurl dargestellte Kontaktelement entsteht. In Figur 2 sind die Stanzteile 22 nur schematisiert dargestellt und entsprechen nicht der geometrischen Form des Kontaktelements in Figur 1. Die Stoßkanten 20 zwischen dem Kontaktstellensei- tigen Elementabschnitt 11 und dem Zwischenabschnitt 13 und die Stoßkante 21 zwischen dem Zwischenabschnitt 13 und dem anschlussseitigen Elementabschnitt 12 sind in Figur 1 strichpunktiert angedeutet.

Bei der in Figur 3 dargestellten Kontaktfeder gemäß einem zweiten Ausfüh- rungsbeispiel bestehen der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 1 1 und der anschlussseitige Elementabschnitt 12 aus unterschiedlichen, stoffschlüssig verbundenen Materialien, wobei wiederum die Materialeigenschaft der Materialien an die Funktionalität des Elementabschnitts 1 1 bzw. 12 angepasst sind. Der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 1 1 besteht wie der gleiche Elementabschnitt in Figur 1 wiederum aus einer warmfesten Legierung gemäß DIN 10269. Der anschlussseitige Elementabschnitt 12 besteht in gleicher Weise wie zu Figur 1 beschrieben aus einem korrosionsbeständigen Stahl der 1.43xx-Familie gemäß DIN 10088. Anders als bei dem Kontaktelement gemäß Figur 1 besteht der Zwischenabschnitt 13 aus dem gleichen Material wie der anschlussseitige Element- abschnitt 12, also aus einem korrosionsbeständigen Stahl der 1.43xx-Familie gemäß DIN 10088. Zur Herstellung des Kontaktelements gemäß Figur 3 werden zunächst zwei aus dem Materialien des kontaktstellenseitigen Elementabschnitts 1 1 und des an- schlussseitigen Elementabschnitts 12 bestehende Metallbänder 16 und 23 mit ih- ren Längskanten aneinandergelegt und Stoß an Stoß miteinander stoffschlüssig zu einem Bimetallband 24 verbunden (Figur 4). Der Verbindungsprozess kann wiederum durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen erfolgen. Figur 4 zeigt das so hergestellte Bimetallband 24 ausschnittweise in Draufsicht. Die Stoßkante im Bimetallband 24, längs derer die beiden Metallbänder 16 und 23 miteinander verschweißt sind, ist in Figur 4 mit 25 eingezeichnet.

Aus dem Bimetallband 24 wird nunmehr ein Stanzteil 26 mit quer zur Stoßkante 25 verlaufender Längserstreckung so ausgestanzt, dass der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 11 aus dem Metallband 16 und der anschlussseitige Element- abschnitt 12 zusammen mit dem Zwischenabschnitt 13 aus dem anderen Metallband 23 hervorgeht. Ein aus dem Bimetallband 24 freigestanztes Stanzteil 26 ist in Figur 4 am oberen Rand des Bimetallbandes 24 dargestellt. Weitere noch nicht freigestanzte Stanzteile 26 sind in das Bimetallband 24 konturenmäßig eingezeichnet und werden je nach Ausführung des Stanzwerkzeugs einzeln oder gruppenweise ausgestanzt. Durch nachfolgendes Abtrennen der am linken Rand des Bimetallbandes 24 verlaufenden gelochten Randleiste 241 werden die Stanzteile 26 vereinzelt. Vorzugsweise gleichzeitig mit dem Ausstanzen werden an jedem Stanzteil 26 der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 1 1 einerseits und der anschlussseitige Elementabschnitt 12 zusammen mit dem Zwischenab- schnitt 13 andererseits ausgeformt, wodurch sich das Kontaktelement in seine in

Figur 3 dargestellten Form ergibt. Auch hier sind wiederum die Stanzteile 26 schematisiert dargestellt und zeigen nicht die einzelnen Stanzkonturen der Kontaktfeder in Figur 3. Die in der Kontaktfeder verlaufende Stoßkante 25, längs der die unterschiedlichen Materialien stoffschlüssig verbunden sind, ist in Figur 3 strichpunktiert angedeutet.

Das in Figur 5 dargestellte Kontaktelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel weist wiederum den kontaktstellenseitigen Elementabschnitt 1 1 , den an- schlussseitigen Elementabschnitt 12 und den Zwischenabschnitt 13 auf. Anders als bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bilden jedoch der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 11 und der anschlussseitige Elementabschnitt 12 separate Elementstücke 27 bzw. 28 (Figur 6). Der Zwischenabschnitt 13 ist zumindest teilweise mit mindestens einem der beiden Elementabschnitte 1 1 , 12 einstückig, besteht also aus dem gleichen Material wie diese. Die beiden Elementstücke 27, 28 sind im Bereich 29 des Zwischenabschnitts 13 zu einer vor- montierten, ganzheitlichen Baueinheit stoffschlüssig miteinander verbunden. Der

Verbindungsbereich 29 ist in Figur 5 schematisch durch eine gestrichelte Linie angedeutet.

Wie in den Ausführungsbeispielen der Figur 1 und 2 bestehen die Elementabschnitte 11 , 12 aus unterschiedlichen Materialien, deren Materialeigenschaften an die Funktionalität des kontaktstellenseitigen Elementabschnitts 11 bzw. des anschlussseitigen Elementabschnitts 12 angepasst sind. Der kontaktstellenseiti- ge Elementabschnitts 1 1 besteht wiederum aus einer warmfesten Legierung gemäß DIN 10269, der anschlussseitige Elementabschnitt 12 aus einem korrosionsbeständigen Stahl der 1.43xx-Familie gemäß DIN 10088. Der Zwischenabschnitt 13 besteht teilweise aus dem gleichen Material wie der kontaktstellensei- tige Elementabschnitts 11 und teilweise aus dem gleichen Material wie der anschlussseitige Elementabschnitt 12. Diese Teile 13a und 13b des Zwischenabschnitts 13 sind im Bereich 29 stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei der Stoffschluss durch einen Elektronenstrahl- oder Laserschweißprozess hergestellt wird.

Zur Herstellung des kontaktstellenseitigen Elementabschnitts 11 gemäß Figur 5 werden zunächst der kontaktstellenseitige Elementabschnitt 1 1 einerseits und der anschlussseitige Elementabschnitt 12 andererseits jeweils zusammen mit einem Teil 13a bzw. 13b des Zwischenabschnitts 13 als separate Elementstücke 27, 28 (Figur 6) gestanzt und gebogen. Danach werden die beiden separaten E- lementstücke 27, 28 gefügt, wie dies in Figur 6 durch gestrichelte Linien angedeutet ist, und im Bereich 29 des Zwischenabschnitts 13 miteinander stoffschlüs- sig verbunden.