Brevet FR2647271A3 — publié le 19901123

FR 2647271 A3 19901123 FR 8906371 A 19890516 La présente invention concerne des éléments de contact pour connecteur électrique. La principale qualité dune connexion électrique est de présenter une résistance de contact électrique qui soit la plus faible possible. Jusqu'à présent, seul le soudage de conducteurs entre eux permettait de réaliser des connexions quasiment parfaites, c'est-à-dire pratiquement sans ajouter de résistance électrique supplémentaire, donc telles que leur impédance soit inférieure à celle d'une longueur de ligne électrique égale à celle du connecteur. Les connecteurs de l'art antérieur ne permettent pas de réaliser des connexions électriques à très faible résistance de contact. On entend ici par connecteur un dispositif constitué de deux parties, chacune de ces deux parties étant reliée électriquement} par soudage ou sertissage éventuellement, à un conducteur électrique et permettant de relier sans soudage les deux conducteurs électriques entre eux. Les éléments de connecteurs doivent être suffisamment élastiques et raides pour pouvoir transmettre les efforts nécessaires à la réalisation des contacts. Ils doivent également bien conduire l'électricité. Enfin, ils doivent bien résister à la corrosion. Pour réunir toutes ces qualités, on choisit souvent d'utiliser des alliages métalliques, la plupart des métaux fortement conducteurs à l'état pur comme l'ors l'argent ou le cuivre ayant dans cet état de très mauvaises qualités mécaniques. Ce choix est un compromis qui est loin d'être satisfaisant. En effet, un alliage conduit moins bien l'électricité que chacun des métaux qui le constituent pris séparement et juxtaposés, sans pour autant offrir de très bonnes caractéristiques mécaniques. Ainsi bien que la proportion de cuivre dans ces alliages se situe entre 60% et 90%, leur conductibilité n'est que de 18% à 40S de celle du cuivre, pour n'obtenir des qualités de résistance mécanique que de l'ordre de la moitié ou du quart de celles des aciers les plus courants. Les qualités de résistance mécanique dont il est question ici sont principalement l'élasticité, la raideur et la résistance à la fatigue. Le meilleur alliage connu à l'heure actuelle pour réaliser des contacts est le bronze au bérylium ou Ube2, mais il coûte très cher. La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'élements de contact de connecteur électrique d'un type nouveau, permettant de réaliser des connexions peu coûteuses et de très bonne qualité, qui dans certaines applications sont telles que leur impédance soit inférieure à celle d'une longueur de ligne électrique égale à celle du connecteur. Selon la présente invention, un élément de contact de connecteur électrique comprend une âme élastique en matériau rigide faiblement conducteur de l'électricité, enrobée au moins partiellement d'une gaine plastique déformable en métal bon conducteur de l'électricité, ladite âme élastique apportant audit élément sa résistance mécanique et son élasticité, ladite gaine plastique conférant audit élément de contact ses propriétés de conductibilité et de déformabilité plastique superficielle, la dureté de l'âme étant supérieure à deux fois et demi celle de la gaine, I'épaisseur du métal de la gaine étant telle que la section linéaire de passage électrique équivalent-cuivre de la gaine est supérieure à trois fois celle de l'âme élastique, et la conductibilité intrinsèque du matériau de la gaine conductrice étant supérieure à six fois celle du matériau de l'âme élastique. Avantageusement, et selon l'invention, l'élément de contact de connecteur comprend en outre une couche mince superficielle extérieure de protection contre la corrosion et d'étanchéité. Toujours avantageusement, et selon I'fnvention, ledit matériau rigide a une dureté Brinell H supérieure à 190 kgf/mm2, par exemple de l'acier trempé, et ledit métal conducteur a une conductibilité électrique qul ne diffère pas de celle du cuivre de plus de 5%. La dureté Brnnell H du métal conducteur est de préférence inférieure à 40 kg/mm2 Le matériau rigide peut être du cuivre. Ladite couche mince superficielle extérieure peut comprendre du nickel, de l'argent, du titane ou du nitrure de titane, ou de l'or. Suivant les applications et la constitution de ladite âme élastique, ladite gaine plastique a une épaisseur comprise dans la gamme allant de 15 ,um à 1000 iim environ. Selon la présente invention, un procédé de fabrication d'un élément de contact de connecteur du type ci-dessus comprend les étapes suivantes: - application de ladite couche de cuivre formant gaine plastique déformable conductrice sur ladite âme élastique en acier; - dépôt de ladite couche de protection. Ladite application de la couche de cuivre sur ladite âme élastique en acier peut être effectuée par colaminage, mais on peut avantageusement procéder différemment, par dépôt électrolytique. Selon une caractéristique importante de la présente invention, le procédé comprend, après le dépôt de ladite couche de cuivre mais avant le dépôt de ladite couche de protection, une étape de trempe comportant une phase de chauffage à une température telle que des ions hydrogène} fixés par l'acier durant ladite électrolyse, sortent de l'acier et traversent la gaine plastique de cuivre, rendue ainsi davantage poreuse par le chauffage, pour s'échapper à l'extérieur dudit élément en cours de fabrication, et une phase d'immersion dudit élément dans un bain froid, ce qui lui confère des caractéristiques mécaniques améliorées, résultat normal d'une opération de trempe sur de l'acier. L'application de la dite gaine plastique peut être effectuée de façon mixte, par exemple par filage puis par dépôt électrolytique. Un élément de connecteur doit avoir une forme particulière. Cette forme lui est donnée au cours d'une étape dite de formage. Suivant que l'on privilégie ou non les zones de dépôt de ladite gaine plastique conductrice situées sur les parties extérieures ou Intérieures de l'élément > cette étape de formage interviendra avant ou après l'application de ladite gaine plastique. Dans le cas du cuivre sur acier, le procédé de fabrication selon l'invention permet de donner une forme audit élément avant l'opération de trempe, ce qui est particulièrement intéressant. Selon un autre aspect de la présente invention, toujours dans le but de réaliser des connecteurs performants, c'est-à-dire caractérisés par une faible chute de tension et donc une faible résistance électrique propre un procède de connexion d'un élément de contact du type cidessus avec une ligne conductrice qui peut être un autre élément de contact similaire, prévoit au moins une zone de contact entre ledit élément et ladite ligne sur une longueur de recouvrement de l'un sur l'autre supérieure ou égale à deux fois et demi le diamètre de l'élément de contact ramené à une section circulaire. Selon une variante, ce procédé prévoit au moins deux zones de contact distinctes sur ladite longueur de recouvrement. Alnsl, selon l'invention, un connecteur électrique équipé d'éléments de contact du type ci-dessus comprend avantageusement au moins deux zones de contact distinctes successives entre lesdits éléments suivant la circulation du courant électrique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif des formes possibles de réalisation de l'invention, en regard des dessins cl-joints, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins: - la figure I est une vue en coupe longitudinale partielle d'un élément de connecteur selon l'invention; - la figure 2 illustre un procédé de connexion selon l'invention; - la figure 3a est une coupe de principe de détail extraite de la figure 2; -la figure 3b est une variante de la figure 3a; - la figure 4 illustre un procédé de fabrication d'éléments de contact de connecteurs selon l'invention. Sur la figure 1, un élément de connecteur de forme simple 1 comprend, selon l'invention, une ame élastique en acier 2, enrobée d'une gaine plastique déformable 3 en cuivre recouverte elle-même d'une couche extérieure de protection 4. Cet élément a été réalisé comme suit. On a commencé par travailler une pièce d'acier jusqu'à lui donner la forme souhaitée pour le futur élément de connecteur. On a ainsi obtenu ladite âme. Une fois cette forme obtenue, on a déposé par vole électrolytique une couche de cuivre sur l'âme en acier. Ltépaisseur de cuivre, importante par rapport à ce qui se fait dans l'art antérieur, est au moins de 15 um, souvent beaucoup plus. Cette épaisseur est importante pour au moins deux raisons. La première est qu'on doit éviter le décollement du cuivre sur l'acier lors des étapes suivantes, notamment la trempe, la deuxième est que c'est le cuivre qui conduira la plus grande partie du courant électrique dans l'élément de connecteur.Enfin, il est important que la couche de cuivre puisse se déformer légèrement sous l'effet de la pression qui lui sera appliquée par les efforts de contact repris par l'âme en acier. Au cours du dépôt de cuivre par voie électrolytique, des ions H+ on pénétré dans l'acier, ce qui a eu pour effet de le fragiliser. L'étape de fabrication suivante consiste à chauffer l'ensemble acier et cuivre à environ 700 C à 800 C. Ce chauffage a plusieurs effets intéressants. Il recuit le cuivre qui, devenu plus mou, pourra plus facilement s'écraser, ce qui améliorera, en cours d'utilisation, le contact électrique comme on le verra plus loin. Le recuit du cuivre a également pour effet de le rendre encore plus poreux qu'il ne l'était déjà > ce qui permet aux ions H+ piégés dans l'acier de mieux s'échapper à travers lui, ceux-ci ayant par ailleurs tendance à sortir de l'acier sous l'effet de la chaleur.L'étape suivante consiste à effectuer une opération de trempe, par immersion dans un bain froid. L'acier est alors devenu de l'acier trempé, avec toutes les qualités mécaniques qu'on lui connaît. L'étape de formage peut Intervenir avant ou après le dépôt de cuivre. Par contre, la trempe doit intervenir après dans les deux cas. La couche de protection 4 est appliquée ensuite sur le cuivre par des procédés classiques. Elle peut comprendre par exemple du nickel, du titane ou du nitrure de titane. Ces matériaux ne sont pas des bons conducteurs de l'électricité > mais c'est sans importance car la couche de protection est très mince, d'une épaisseur de l'ordre de quelques centaines d'Angstrom. Un critère de choix important pour cette couche de protection est, pour certaines applications, sa dureté. Elle doit aussi être étanche, résister à l'oxydation et bien protéger l'ensemble contre la corrosion et l'abrasion. Les couches de protection en titane peuvent avoir de 0,03 à 0,08 um d'épaisseur, les couches en argent, en or ou en nickel de 0,1 à 1clam d'épaisseur. On a ainsi réalisé un élément de contact de connecteur en utilisant plusieurs matériaux pour leurs caractéristiques les plus intéressantes l'acier pour sa raideur et son élasticite, le cuivre pour sa plasticité, sa mollesse et la conductibilité, et le titane ou le nickel pour leur dureté et leur inoxydabilité. Le cuivre est bon marche, mou- et (donc) conducteur. Il peut et même doit être très pur. C'est le cuivre qui est le conducteur principal, l'acier ne jouant que le rôle de support. Au lieu d'utiliser de l'acier, on aurait pu utiliser un autre matériau, pas nécessairement conducteur, les critères de choix étant surtout d'ordre mécanique. Ainsi, un matériau dont la dureté, la raideur et l'élasticité seraient comparables à celle de l'acier conviendrait. On a observé un certain engouement pour les contacts en or. L'or est surtout intéressant pour son inoxydabilité et la stabilité de sa microstructure de surface, car il a une conductibilité voisine de celle du cuivre. Le cuivre résiste mal à l'abrasion et à l'oxydation, pas le titane ou le nickel. Il n'a pas une bonne tenue mécanique, contrairement à l'acier. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'âme élastique est en acier, la gaine plastique conductrice en cuivre et la couche extérieure de protection en nickel. L'épaisseur de 15 um indiquée ci-dessus correspond à un minimum. On se placera dans la plupart des cas.au-dessus de 30 um. Exemples d'épaisseurs : 0,07 mm, soit 70 gm de cuivre pour une âme en acier de 0,25 mm. L'acier doit être capable de porter le cuivre et de le faire se déformer. Autre exemple : un fil dont le diamètre extérieur est de 2,2 mm, pour un diamètre d'âme de 1,3 mm, soit une épaisseur de cuivre de 450 ,um. L'épaisseur de cuivre dépend du diamètre de l'âme en acier. En pratique, il est souhaitable que l'épaisseur du métal de la gaine soit telle que la section linéaire équivalente de passage électrique de la gaine soit supérieure à trois fois celle de l'âme élastique, ou, en d'autres termes, que l'intensité du courant électrique dans la gaine conductrice soit trois fois plus grande que celle qui pourrait y avoir dans l'âme élastique. La figure 2 Il lustre de quelle façon on peut, toujours selon l'invention > utiliser au mieux des éléments de connecteurs tels que ceux du type cl-dessus. Deux éléments de connecteurs 5, 6 sont mis en contact sur deux zones de contact 7, 8. Il y a recouvrement des connecteurs ou des conducteurs sur une certaine longueur, et sur cette longueur, des calculs et des essais ont montré que pour une même réaction mécanique (force totale) entre éléments, il était plus fntéressant de prévoir plusieurs zones de contact espacées d'une certaine distance avec des forces moindres que une seule zone de contact sur laquelle serait concentrés tous les efforts de contact. La distance entre zones de contact est un paramètre important pour la qualité du connecteur. En fait, avec une seule zone de contact, des efforts beaucoup trop importants, irréalistes pour un connecteur bon marché, seraient nécessaires pour atteindre la qualité de contact du soudage ou du sertissage. Chaque zone de contact est constituée de points de contact, au niveau microscopique. On peut appliquer aux points de contact ce qui a été dit précédemment concernant les zones de contact. En appliquant cette technique nouvelle de connexion aux éléments tels que décrits c1-dessus, il est possible de réaliser des connecteurs avec des chutes de tension nulles, c'est-à-dire tels que leur impédance soit inférieure à celle d'une longueur de ligne électrique égale à celle du connecteur, ce qui n'avait Jamais été rendu possible auparavant. Pour atteindre ce résultat, deux ' zones de contact et des forces "raisonnables", soit de quelques grammes à quelques kilogrammes, suffisent avec des éléments connecteurs tels que décrits ci-dessus. La figure 3a montre le comportement d'éléments de connecteur selon l'lnventron au droit d'une zone de contact 7. On reconnaît les âmes élastiques 2', 2", les gaines plastiques 3', 3" et les couches de protection 4', 4". Seules les gaines plastiques 3', 3" sont déformées au niveau de la zone de contact. Dans le cas de la figure Sb, 11 n'y a pas de gaine plastique conductrice sur les deux éléments de connecteur. Seule la gaine 3' se déforme, car elle est plus molle que les âmes élastiques 2' et 2"'. Dans le cas de la figure 3b, l'âme élastique 2"' doit bien entendu être conductrice de l'électricité. Il ne s'agit d'ailleurs pas d'une "âme" à proprement parler mals d'un élément de conducteur homogène. Les efforts provoquant cette déformation sont transmis par les couches minces de protection 4', 4" et 4"'. Sur la figure 4, les quatre phases successives de fabrication d'un élément de connecteur il à âme en acier 12 selon l'invention sont schématisées: - le dépôt épais de cuivre 13 (de préférence par voie électrolytique); - le chauffage; - la trempe; - l'application de la couche de protection 14. L'étape de formage, grâce à laquelle la forme coudée de la pièce a pu être obtenue, est intervenue avant le dépôt de cuivre. Les triangles dessinés sur les surfaces des différentes couches symbolisent les duretés des matériaux: plus le matériau est dur, plus les triangles sont petits. Une application très importante de cette nouvelle technologie est la fabrication de connecteurs à contacts dits par couteaux qui soient beaucoup moins encombrants et donc moins chers, du fait du meilleur rapport volume/conduction que l'on peut atteindre en appliquant l'invention, presque deux fois meilleure qu'avec du bronze, et des forces de poinçonnement moindre à appliquer pour réaliser le contact. Ainsi, un couteau d'une épaisseur de 0,2 mm peut se substituer à un couteau en bronze de 0,3mm. Il va de soi que le champ de protection de cette invention n'est pas limité à la description ci-dessus ou aux revendications, mais s'étend au contraire à tous ses équrvalents techniques. REVENDICATIONS 1. Elément de contact de connecteur électrique ( 1 ) comprenant une âme élastique en matériau rigide (2) faiblement conducteur de l'électricité, enrobée au moins partiellement d'une gaine plastique déformable (3) en métal bon conducteur de l'électricité, caractérisé en ce que ladite âme élastique (2) apporte audit élément sa résistance mécanique et son élasticité, tandis que ladite gaine plastique (3) confère audit élément de contact (1) ses propriétés de conductibilité et de déformabilité plastique superficielle, la dureté de l'âme (2) étant plus de deux fois et demi celle de la gaine, l'épaisseur du métal de la gaine étant telle que la section linéaire de passage électrique équivalent-cuivre de la gaine (3) est supérieure à trois fois celle de l'âme élastique, la conductibilité intrinsèque du matériau de la gaine conductrice étant supérieure à six fois celle du matériau de l'âme élastique (2). 2. Elément de contact de connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche mince superficielle extérieure de protection contre la corrosion et d'étanchéité (4). 3. Elément de contact de connecteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau rigide a une dureté Brinell supérieure à 190 kg/mm2. 4. Elément de contact de connecteur selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le métal conducteur a une conductibilité électrique qui ne diffère pas de celle du cuivre de plus de 5%, et en ce que sa dureté Brlnell H est inférieure à 40 kg/mm2. 5. Elément de contact de connecteur selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite gaine plastique a une épaisseur comprise dans la gamme allant de 15 um å 1000 um environ. 6. Elément de contact de connecteur selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite couche superficlelle extérieure (4) comprend du nickel, de l'argent, du titane ou du nitrure de titane, ou de l'or. 7. Elément de contact de connecteur selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit métal conducteur est du cuivre et en ce que ledit matériau rigide est de l'acier. 8. Procédé de fabrication d'un élément de contact de connecteur (1) du type de celui décrit dans la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend successivement les étapes suivantes: - application de ladite couche de cuivre formant gaine plastique déformable conductrice sur ladite âme élastique en acier; - dépôt de ladite couche de protection. 9. Procède selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite application de la couche de cuivre sur ladite âme élastique en acier est effectuée par colaminage. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite âme élastique est en acier trempé et en ce que ladite application de la couche de cuivre est effectuée par électrolyse. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, avant le dépôt de ladite couche de protection, une étape de trempe comportant une phase de chauffage à une température telle que des ions hydrogène, fixés par l'acier (2) durant ladite électrolyse, sortent de l'acier et traversent la gaine plastique de cuivre (3), rendue ainsi davantage poreuse par le chauffage, pour s'échapper à l'extérieur dudit élément en cours de fabrication, et une phase d'immersion dudit élément dans un bain froid qui lui confère des caractéristiques mécaniques améliorées, résultat normal d'une opération de trempe sur de l'acier. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un étape de formage consistant à donner une forme souhaitée audit élément de connecteur (5). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite étape de formage intervient avant l'application de ladite couche de cuivre (3) et ne concerne que ladite âme élastique en acier (2). 14. Procédé de connexion d'un élément de contact (5, 6) selon l'une des revendications 1 à 7 avec une ligne conductrice qui peut être un autre élément de contact, caractérisé en ce qu'il prévoit au moins une zone de contact entre ledit élément et ladite ligne sur une longueur de recouvrement de l'un sur l'autre supérieure ou égale a deux fois et demi le diamètre de l'élément de contact ramené à une section circulaire. 15. Procédé de connexion selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il prévoit au moins deux zones de contact distinctes (7, 8) sur ladite longueur de recouvrement. 16. Connecteur électrique équipé d'éléments de contact (5, 6) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une zone de contact (7, 8) entre lesdits éléments sur une longueur de recouvrement de l'un sur l'autre supérieure ou égale à deux fois et demi le diamètre de l'élément de contact ramené à une section circulaire. 17. Connecteur électrique selon la revendication 16 caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux zones de contact distinctes (7, 8) sur ladite longueur de recouvrement.