ТЕСТ-РЕЛЕ С МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ АКСЕССУАРОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА Российский патент 2018 года по МПК H01H50/04 

Принятые сокращения:

- АПП - аксессуар подключающего прибора (измерительный щуп, зонд, наконечник, соединительный провод и т.п.) или само подключающее устройство измерительного оборудования или прибора - внутреннее или внешнее относительно последних, что именно - то или другое - здесь и далее должно быть ясно из контекста (примечание: в формуле изобретений сокращения не используются);

- ВО - востребованные операции: диагностика и настройка электронных устройств или блоков, поиск неисправностей печатных плат и подложек в сборе (с электронными компонентами и радиодеталями), входной и выходной контроль последних или электронных устройств или блоков, а также проведение поисковых научных исследований, например, связанных с подбором номиналов используемой электронной компонентной базы и т.п.;

- ИОП - измерительные оборудование или прибор (в т.ч. тестер, осциллограф и т.п.), возможно, многокомпонентные, многоканальные, стационарные, переносные, совмещенные с самими электронными устройствами и блоками, либо просто неразрывно с ними связанные и проч.;

- МТР - механическое тест-реле;

- ОИ - объект исследования - объект, чьи индивидуальные (при его вычленении из электрической цепи узла/блока/устройства) электрические параметры и/или характеристики подлежат измерению;

- ПП - платы (печатные, в т.ч. многослойные, в т.ч. гибкие, в т.ч. тканые) или подложки с металлизацией (с топологическим металлическим рисунком) иные носители радиоэлементов (например, объемные), обеспечивающие их заданные взаимные расположения и электрические соединения друг с другом;

- ФС - фрагмент-стопор наружного конструктивного элемента МТР, предназначенного для соединения с МТР АПП;

- ЭПХ - электрические параметры и/или характеристики - объект измерения - индуктивность, электрическая емкость, электрическое сопротивление, обратное напряжение диода и т.п., а также напряжение на двухполюснике - постоянная и переменная составляющие напряжения, его полярность, частота, амплитуда, среднее значение, форма - профиль (временных характеристик) и проч.;

- ЭКУ - электронный элемент микросхемы либо электрическая цепь, составленная из таких элементов, или электронный компонент (резистор, индуктивность, электрический конденсатор, диод, транзистор, микросхема, реле и проч.), либо электрическая цепь, составленная из таких компонентов, или функциональный электронный узел (материальный фрагмент электронной схемы - фрагмент электрической цепи - генератор, усилитель, фильтр, преобразователь и т.п. - функциональный элемент электронного устройства или блока, или некоторая совокупность соединенных друг с другом функциональных электронных узлов) - это может быть двухполюсник, а может - многополюсник;

- ЭБУ - электронные блоки, узлы или устройства.

Принятые понятия:

- измерение - процесс, на выходе которого может быть получена в т.ч. и оценка (приблизительная) относительного или абсолютного значения параметра или характеристики, а также графическое или табличное представление последней либо ее представление посредством функционала (предполагается, что процесс измерения проходит две основные стадии: «опрос» - тестирование - ОИ и обработка результатов «опроса», необходимая для представления результатов измерения);

- механическое тест-реле - специальный электронный компонент, предназначенный для размыкания электрической цепи при механическом воздействии на него со стороны АПП с целью отключения полюса ОИ на время измерения или, по крайней мере, на время упомянутого опроса при проведении измерения;

- под полюсом ОИ понимается вывод или контакт, или контактная площадка ОИ - узел ОИ, предназначенный для его электрического присоединения, например припайки к заданному участку электрической цепи.

Изобретение может использоваться в электронной, космической, авиационной, военной и проч. промышленности. Они имеют отношение к измерениям ЭПХ ЭКУ, расположенных на ПП и т.п. ЭБУ, т.е. впаянных в ПП или собранных на них.

Прямое назначение изобретения - проведение ВО.

Широко известны ИОП серии Fluke (www.fluke.com) и соответствующие им способы измерений.

Особенностью таких способов является подключение ЭКУ к ИОП посредством АПУ с последующей подачей на ЭКУ тестовых воздействий, по отклику на которые и определяют ЭПХ либо с последующей диагностикой ЭКУ, в частности с последующим измерением напряжения или тока.

К недостатку представленного способа следует отнести невозможность проведения измерения ЭПХ в случае, когда ЭКУ установлены в ЭБУ, будучи припаянными к ПП, т.е. будучи включенными в электрическую схему ЭБУ или в ее часть.

Проблема заключается в том, что в этом случае измерению подлежат ЭПХ не самих ЭКУ, а всей электрической цепи, с которой последние электрически соединены.

Так, например, если простейший генератор, собранный на паре операционных усилителей, соединен с нагрузкой, то паразитные емкости/индуктивности последней за счет обратной связи могут исказить форму, а то и частоту выходного сигнала генератора, что не позволит правильно оценить его работоспособность (понять, что является причиной искажения сигнала: поломка генератора или наличие паразитной активной нагрузки).

Для устранения такой проблемы прибегают к полному или частичному демонтажу ЭКУ - как минимум один из выводов ЭКУ отсоединяют от ПП (например, отпаивают), т.е. делают свободным (висящим) как минимум один из полюсов упомянутого ОИ, с которым предполагают электрически соединить АПУ.

Эту проблему можно решить введением в электрическую схему отсоединяющих ЭКУ от электрической цепи ЭБУ микропереключателей, которые должны быть установлены последовательно с ЭКУ перед ними в соответствии со схемой.

Но и у этого решения есть недостаток - после измерений легко забыть вернуть переключатель в исходное положение, что (при наличии на ПП нескольких десятков таких переключателей) может вызвать существенные трудности. Ориентация на переключатели существенно увеличивает время измерений, поскольку предполагает дополнительные ручные манипуляции.

Также широко известны нормально замкнутые реле (ru.wikipedia.org>Реле), предназначенные для размыкания электрической цепи и имеющие переключатель, содержащий пару механических электрических контактов, первый из которой выполнен с возможностью перемещения относительно второго при оказании на реле внешнего воздействия, приводящего к указанному размыканию.

Прототип объекта изобретения авторам представленных материалов не известен, однако особо следует обратить внимание экспертизы на пилотную заявку в этой области на получение патента РФ №2015149027.

Задача объекта изобретения - устранение недостатков представленных способов и устройств, исключение деструктивного действия процесса измерения на компоненты ПП - исключение необходимости полного или частичного демонтажа ОИ на время проведения измерений.

Технический результат, достигаемый при использовании объекта изобретения, заключается в снижении затрат времени на проведение ВО, что обеспечивается снижением затрат времени на измерение ЭПХ ЭКУ, распаянных на ПП, за счет исключения необходимости их полного и частичного демонтажа с ПП (отпайки), который помимо прочего может повлечь за собой и поломку ЭКУ, а также благодаря полному исключению необходимости восстановления ПП - необходимости восстановительной (повторной) припайки демонтированных ЭКУ к ПП, а также ручных манипуляций с переключателями.

Основное назначение изобретения - обеспечение возможности гарантированного размыкания МТР на достаточное для получения информации об ЭПХ время при отсутствии необходимости контроля за соединением АПП и ОИ.

Достигается такой результат благодаря использованию нормально замкнутого МТР, предназначенного для размыкания электрической цепи, связывающей ОИ с ЭБУ, на время, как минимум достаточное для оценки индивидуальных ЭПХ ОИ с необходимой точностью, имеющего как минимум один переключатель, содержащий как минимум пару механических электрических контактов, первый из которой выполнен с возможностью приводящего к указанному размыканию перемещения относительно второго при оказании на МТР механического воздействия со стороны внешнего по отношению к МТР объекта, характеризующегося следующими главными отличительными признакми:

- МТР включает наружный конструктивный элемент, выполненный с возможностью доступа к нему извне, форма которого обеспечивает возможность требуемого разъемного соединения МТР с АПП при обеспечении фиксации взаимного расположения МТР и АПП;

- наружный конструктивный элемент МТР предполагает наличие у него как минимум одного выступающего и/или углубленного ФС, доступного как минимум для части АПП и предназначенного для сопряжения с последним с образованием требуемого соединения;

- первый контакт выполнен с возможностью упругой деформации при его перемещении (приводящим к указанному размыканию) под действием механического воздействия, оказываемого на этот контакт со стороны внешнего объекта непосредственно или опосредованно через другой элемент или другие элементы тест-реле;

- первый контакт выполнен с возможностью обеспечивающего гарантированное замыкание МТР восстановления своей формы (за счет устранения деформации) в случае устранения механического воздействия со стороны внешнего объекта.

Заявленный объект включает также и ряд частных отличительных признаков:

- как минимум один ФС может быть выполнен подпружининным или упругодеформируемым;

- как минимум один ФС может быть расположен на заданном расстоянии от первого контакта, позволяющем при образовании требуемого соединения добиться указанного размыкания с задержкой такового как минимум на время упомянутой фиксации;

- ФС может представлять собой либо торообразный, трапецеидальный, прямоугольный или треугольный выступ, либо отверстие произвольной формы, либо паз, либо штифт, либо резьбу;

- МТР может включать электронные пассивный и/или активный компонент, либо узел, либо блок-объект исследования;

- объект исследования может располагаться на основании МТР.

Описание изобретения сопровождается фиг. 1-8

На фиг. 1-8 представлено следующее:

- 1 - заготовка керамических оснований МТР;

- 2 - заготовка (по фиг. 1) с матрицей подвижных контактов;

- 3 - заготовка (по фиг. 1) с матрицей подвижных контактов и матрицей неподвижных контактов;

- 4 - фрагмент заготовки с контактами в разрезе;

- 5 - основание МТР с контактами;

- 6 - наружный конструктивный элемент МТР, выполненный с возможностью доступа к нему извне, форма которого обеспечивает возможность требуемого разъемного соединения МТР с АПП с фиксацией их взаимного расположения;

- 7 - МТР в сборе;

- 8 - схема технологического процесса по изготовлению МТР.

Фиг. 1-8 приведены для иллюстрации возможности изготовления МТР с использованием LTCC-технологии.

Фиг. 7 приведена для иллюстрации взаимного расположения составных частей МТР.

На фиг. 1-8 приняты следующие обозначения:

1 - контур, по которому предполагается разделять основания МТР;

2 - керамическая пластина;

3 - ячейки матрицы пластины 2;

4 - металлизация, обеспечивающая электрическое соединение узких отверстий ячеек с соответствующими ЧИП-контактными площадками;

5 - металлизация, аналогичная 4 для других отверстий;

6 - пара широких коротких отверстий ячейки матрицы (типа 3);

7 - дополнительные металлизированные отверстия;

8 - пара узких длинных отверстий ячейки;

9 - матрица подвижных контактов;

10 - перемычки, связывающие различные подвижные контакты в матрицу;

11 - подвижный контакт;

12 - контактные площадки подвижных контактов;

13 - матрица стационарных контактов;

14 - перемычки, связывающие различные стационарные контакты;

15 - стационарный контакт;

16 - выступающие части стационарных контактов;

17 - отогнутые ушки контактов;

18 - фланец;

19 - выступающий ФС, предназначенный для замкового соединения с АПП;

20 - отверстие;

21 - заклепка;

22 - корпус МТР - упомянутый его конструктивный элемент;

23 - резиновый вкладыш;

24 - наружная боковая поверхность крышки;

25 - зона роликовой сварки;

26 - место деформации резины;

27 - ЧИП-контактные площадки.

Заявленный объект может быть устроен следующим образом.

Он должен включать наружный конструктивный элемент типа 22.

Такой элемент должен быть выполнен с возможностью доступа к нему АПП, т.е. другие части МТР не должны препятствовать такому доступу.

Так, например, он должен быть расположен со стороны основания МТР, противоположной той, на которой выполнены ЧИП-контактные площадки.

Форма такого элемента должна обеспечивать возможность требуемого разъемного соединения МТР с АПП с фиксацией их взаимного расположения - с созданием разъемного замкового соединения, исключающего самопроизвольное отсоединение АПП от МТР.

Для этого она должна предполагать наличие у наружного конструктивного элемента МТР как минимум одного выступающего и/или углубленного ФС.

Так, например, это может быть сплошная отбортовка 19 (фиг. 6), а может быть и фрагментированная отбортовка, состоящая, например, из 3 ФС, расположенных под углом 120° друг к другу. Еще это могут быть торообразные, трапецеидальные, прямоугольные или треугольные выступы, отверстия произвольной формы, пазы, штифты, резьба и прочие конструктивные элементы, предназначенные для создания разъемных соединений.

Выступающие и углубленные ФС могут использоваться с одинаковым успехом, причем МТР может одновременно иметь и выступающие, и углубленные ФС, например по 3 выступающих и по 3 расположенных между выступающими углубленных ФС.

Так, например, упомянутый наружный конструктивный элемент МТР может иметь соответствующие ФС на своей внутренней цилиндрической поверхности.

При этом АПП могут быть выполнены и охватывающими МТР (это могут быть упругодеформируемые кулачки, выполненные с возможностью «захватывания» ФС 19) и охватываемыми МТР, а также комбинированными - когда часть фрагментов АПП охватывает МТР, а часть оказывается охваченной МТР (например, расположенной во внутренней полости-стакане наружного конструктивного элемента МТР).

Упомянутые ФС МТР должны быть расположены на его наружном конструктивном элементе с возможностью доступа к ним как минимум части АПП (например, для его периферийной части).

ФС МТР должны быть выполнены с возможностью сопряжения с ответными фрагментами или узлами АПП, предназначенными для образованием требуемого соединения АПП с МТР.

Важным условием для реализации МТР является то, что его ФС должны быть расположены на заданном расстоянии от подвижного контакта.

Причем такое расстояние должно быть выбрано в соответствии с ходом АПП при его защелкивании на МТР - при сопряжении соответствующих фрагментов МТР и АПП с образованием замкового соединения между ними.

В этом случае при защелкивании АПП на МТР, т.е. при образовании требуемого соединения будет обеспечено указанное размыкание с задержкой такового как минимум на время фиксации АПП на МТР.

Таким образом, расстояние от ФС МТР до его подвижного контакта должно соответствовать расстоянию от сопрягаемой с таким ФС ответной части АПП до той его части, которая призвана оказывать механическое воздействие на МТР (роль которой должна выполнять деталь АПП, предназначенная для электрического контакта с соответствующим полюсом ОИ).

Дополнительно МТР может включать пассивный или активный электронный компонент или узел (например, микросхему), или блок (например, гибридную микросхему) - объект исследования.

МТР может иметь несколько переключателей, например по одному на каждый коммутируемый с его помощью ОИ.

Переключатель может содержать по несколько пар контактов. Так, он может иметь, например, одну основную и одну дублирующую пару контактов.

Наружный конструктивный элемент МТР может иметь дополнительные, например центрирующие посадочные поверхности и/или направляющие для АПП - цилиндрическую, коническую и т.п.

Заявляемый объект может быть изготовлен, например, в следующие VI этапов.

Этап I

С использованием LTCC-технологии изготавливают заготовку А керамических оснований МТР, разделяемых по контуру 1 - пластину 2 (толщина порядка 1 мм) с матрицей, ячейки 3 которой составлены из двух групп сквозных прямоугольных металлизированных отверстий, первая из которых 6 (пара широких коротких отв.) предназначена для фиксации подвижного, а вторая 8 (пара узких длинных отв.) - стационарного контактных элементов.

Примечание. Отверстия не обязательно должны быть сквозными.

Стенки отв. могут быть покрыты относительно высокотемпературным припоем.

Пластина может также иметь дополнительные металлизированные отверстия 7 (например, круглые, глухие, расположенные с ее нижней стороны), предназначенные для формирования ЧИП контактных площадок.

Посредством металлизации 4 на одном или на нескольких слоях заготовки обеспечивают электрическое соединение пары узких отв. (а при наличии отверстий 7 - с парой круглых отв., расположенных на вертикальной линии), посредством же другой металлизации 5 обеспечивают независимое (от упомянутого первым) электрическое соединение пары широких отв. (а при наличии отверстий 7 с парой круглых отв., расположенных на горизонтальной линии).

Допускается наличие дополнительных внутренних металлизированных отверстий в толще заготовки, содействующих упомянутым электрическим соединениям.

В месте разделения оснований пластина может иметь ступеньку - углубление, обеспечивающую толщину пластины в месте углубления порядка 0,5 мм (что необходимо для осуществления разделения оснований методами микроэлектроники).

Этап II

Устанавливают на заготовку матрицу 9 связанных перемычками 10 (здесь и далее - возможно объемными) подвижных контактных элементов 11 с контактными площадками 12.

При этом обеспечивают попадание отогнутых ушек элементов 11 в широкие отверстия на подложке.

Причем ушки впрессовывают в отверстия (устанавливают по посадке с гарантированным натягом).

Дополнительно могут обеспечивать нагрев заготовки с подвижными контактными элементами для припайки последних.

Далее удаляют (например, с помощью лазерной резки) перемычки (по тонким штриховым линиям), связывающие соседние подвижные контактные элементы друг с другом.

Этап III

Упругодеформируя изгибающиеся части подвижных контактных элементов, аналогично описанному выше образом устанавливают на заготовку матрицу 13 связанных перемычками 14 стационарных контактных элементов (таких как 15) с контактными площадками, расположенными над таковыми подвижных контактных элементов.

При этом соответствующие ушки матрицы 13 сопрягают с узкими прямоугольными отверстиями основания, внутренние части которых могут быть покрыты уже относительно среднетемпературным припоем.

Могут обеспечивать нагрев заготовки для припайки стационарных контактных элементов.

Удаляют перемычки (по пунктирной линии), связывающие соседние стационарные контактные элементы друг с другом.

Стационарный контактный элемент может иметь выступающие над пластиной части 16.

На фиг. 4 показан один фрагмент матрицы заготовки (слева и справа можно увидеть упомянутые выше ступеньки на пластине). Масштаб данной фиг. увеличен вдвое по сравнению с предшествующими.

Примечания.

Ушки 17 контактных элементов могут выступать снизу пластины. При этом они могут быть покрыты припоем и выполнять функцию ЧИП контактных площадок.

Верхняя поверхность ступенек пластины может быть металлизирована (толстая пунктирная линия).

Этап IV

Разделяют основания МТР.

Этап V

Изготавливают крышку (корпус) 22 МТР с отверстием 20 в своей верхней части и с фланцем 18 в нижней.

Наружная боковая поверхность 24 крышки (или ее наружные боковые поверхности - крышка не обязательно должна быть выполнена цилиндрической) должна включать выступающий(e) 19 и/или вогнутый(е) элемент(ы) (выступы или впадины, например это может быть отбортовка), предназначенный(е) для сопряжения с фиксирующим узлом аксессуара измерительного прибора или с подключающим устройством последнего для образования надежного, но разъемного соединения МТР с аксессуаром/подключающим устройством при их заданном взаимном положении друг относительно друга.

Корпус МТР может включать, например, приклеенный к нему резиновый вкладыш 23, предназначенный для герметизации внутреннего пространства МТР.

Такой вкладыш может иметь токопроводящую (например, металлическую) деталь (например, заклепку 21), предназначенную для электрического контакта с аксессуаром измерительного прибора или с его подключающим устройством, а также с подвижным контактным элементом МТР.

В другом варианте исполнения токопроводящим может быть и сам резиновый вкладыш.

Этап VI

Приваривают крышку ее фланцем к основанию (ориентируясь на роликовую или лазерную сварку) в зоне 25 (в соответствии с представленной фиг 7. - по окружности).

При этом могут обеспечивать деформацию резиновой детали (например, в месте 26) с целью создания надежного герметичного соединения.

Используя на этот раз относительно низкотемпературный припой, изготавливают ЧИП контактные площадки 27.

На определенном этапе на керамической пластине может быть выполнена матрица ОИ, например по одному на каждое МТР. При этом ОИ может быть выполнен как на наружной поверхности пластины, так и в ее толще.

Работать МТР может, например, следующим образом.

Его впаивают в ПП последовательно с ОИ.

Для осуществления ВО вводят в контакт с МТР АПП - нащелкивают АПП на МТР, обеспечивая создание их фиксированного (при фиксированном взаимном расположении АПП и МТР) разъемного соединения.

При нащелкивании АПП на МТР за счет механического воздействия АПП на МТР происходит деформация подвижного контакта.

Такая деформация происходит постепенно по мере продвижения в присоединении АПП к МТР. При этом она приобретает требуемую для упомянутого разрыва цепи степень в момент окончательного защелкивания АПП на МТР.

Посредством токопроводящих частей (в т.ч., например, подвижных) АПП оказывается электрически связанным с подвижным контактом, который в свою очередь электрически связан с соответствующим полюсом ОИ (благодаря должному подключению МТР к электрической цепи ЭБУ).

Для отсоединения АПП от МТР требуется приложить некоторое усилие, которое должно позволить разорвать замковое соединение между ними.

После отсоединения АПП от МТР первый контакт восстанавливает свою изначальную форму, в результате чего прижимается ко второму контакту - после отсоединения АПП происходит самопроизвольное замыкание МТР.

Примечание. Подпружиненными (или упругодеформируемыми) могут быть как фрагменты АПП, так и ФС (т.е. и/или).

Достижение заявленного технического результата при реализации заявленного объекта обеспечивается вследствие того, что МТР позволяет совместить процесс подключения ИОП к ОИ с процессом отключения последнего от ЭБУ. При этом контроль следует осуществлять только за фактом защелкивания АПП на МТР, гарантирующим обеспечивающую указанное размыкание деформацию подвижного контакта, величина которой определяется устройством АПП, а также взаимным расположением элементов МТР.

Изобретение может использоваться в электронной, космической, авиационной, военной промышленности при создании электронной аппаратуры, предполагающей проведение диагностики, настройки, поиск неисправностей, входной и выходной контроль. Основное назначение изобретения - обеспечение возможности гарантированного размыкания механического тест-реле на время, достаточное для получения информации об электрических параметрах и/или характеристиках объекта измерения при отсутствии необходимости контроля соединения последнего с аксессуаром измерительного прибора. Нормально замкнутое механического тест-реле включает наружный конструктивный элемент, форма которого обеспечивает возможность требуемого разъемного соединения тест-реле с упомянутым аксессуаром при обеспечении фиксации их взаимного расположения на время соединения. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Нормально замкнутое механическое тест-реле, предназначенное для размыкания электрической цепи, связывающей объект исследования с узлом или блоком, или целым устройством, на время, как минимум достаточное для оценки индивидуальных электрических параметров или характеристик данного объекта с необходимой точностью, имеющее как минимум один переключатель, содержащий как минимум пару механических электрических контактов, первый из которой выполнен с возможностью приводящего к указанному размыканию перемещения относительно второго при оказании на реле механического воздействия со стороны внешнего по отношению к тест-реле объекта, включает наружный конструктивный элемент, выполненный с возможностью доступа к нему извне, форма которого обеспечивает возможность требуемого разъемного соединения тест-реле с аксессуаром измерительного прибора при обеспечении фиксации взаимного расположения реле и аксессуара, для чего форма наружного конструктивного элемента предполагает наличие у него как минимум одного выступающего и/или углубленного фрагмента-стопора, доступного как минимум для части аксессуара и предназначенного для сопряжения с последним с образованием требуемого соединения, при этом первый контакт выполнен с возможностью упругой деформации при его перемещении под действием механического воздействия, оказываемого на этот контакт со стороны внешнего объекта непосредственно или опосредованно, притом что этот контакт выполнен с возможностью обеспечивающего гарантированное замыкание тест-реле восстановления своей формы в случае устранения механического воздействия со стороны внешнего объекта.

2. Реле по п. 1, отличающееся тем, что как минимум один фрагмент-стопор выполнен подпружиненным или упругодеформируемым.

3. Реле по п. 2, отличающееся тем, что как минимум один фрагмент-стопор расположен на заданном расстоянии от первого контакта, позволяющем при образовании требуемого соединения добиться указанного размыкания с задержкой такового как минимум на время упомянутой фиксации.

4. Реле по п. 1, отличающееся тем, что фрагмент-стопор представляет собой либо торообразный, трапецеидальный, прямоугольный или треугольный выступ, либо отверстие, либо паз, либо штифт, либо резьбу.

5. Реле по п. 1, отличающееся тем, что оно включает электронные пассивный и/или активный компонент либо узел, либо блок - объект исследования.

6. Реле по п. 5, отличающееся тем, что объект исследования располагается на основании тест-реле.