DE10219959B4

DE10219959B4 - Schleifring oder Schleifbahn zur übertragung elektrischer Signale zwischen zwei gegeneinander beweglichen Einheiten

Info

Publication number: DE10219959B4
Application number: DE10219959A
Authority: DE
Inventors: Harry Schilling
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: SCHILLING, HARRY, 85072 EICHSTAETT, DE
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-05-04
Also published as: DE10219959A1

Abstract

Schleifring oder Schleifbahn zur Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei gegeneinander beweglichen Einheiten, wobei eine erste Einheit (1) eine entlang der Bahn der Bewegung angeordnete Leiterbahn (3) aus elektrisch leitfähigem Material aufweist und eine zweite Einheit (2) einen entlang der Leiterbahn (3) beweglichen Abgriff (4) zur Übertragung elektrischer Signale in die Leiterbahn (3) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leiterbahn (3) aus einem Widerstandsmaterial besteht, welches durch eines der folgenden Verfahren auf einen Träger aufgebracht ist:
– Dickschicht-Techniken
oder
– Aufbringen von Widerstandsfolien.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Systeme zur elektrischen Übertragung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Einheiten. Diese werden beispielsweise als lineare Schleifbahnen in linear beweglichen Einheiten, wie Krananlagen oder als Schleifring zur Drehübertragung beispielsweise in Computertomografen eingesetzt.

Bei Schleifringen bzw. Schleifbahnen sind kontaktierende sowie kontaktlose Übertragungstechniken bekannt. Da das technische Funktionsprinzip von zur Drehübertragung sowie von linearen Schleifbahnen zur Linearen bzw. Kurvenförmigen dasselbe ist, wird in den folgenden Ausführungen nicht weiter zwischen diesen unterschieden. Die Begriffe werden synonym verwendet.

Die Funktionsweise einer kontaktierenden Übertragung wird nachfolgend am Beispiel eines Schleifrings kurz erläutert. Kreisförmige bzw. ringförmige Schleifbahnen sind einer ersten Einheit angebracht. Gegenüber dieser bewegt sich eine zweite Einheit, mit einem Schleifkontakt, welcher auf der Schleifbahn aufliegt und während der Bewegung mit dieser in schleifendem Kontakt steht. Über diesen galvanischen Kontakt kann nun elektrischer Strom übertragen werden. Über die bekannten Schleifkontaktanordnungen werden vorzugsweise Gleichströme oder niederfrequente Wechselströme übertragen.

Grundsätzlich ist es möglich, den Schleifkontakt in geringem Abstand über der Schleifbahn zu bewegen, so dass ausschließlich eine kapazitive Kopplung zwischen der Schleifbahn und den Schleifkontakt besteht. Über diese kapazitive Kopplung können hochfrequente Signale bzw. hochfrequente Signalanteile übertragen werden. Bei Übertragung hochfrequente Signale treten insbesondere bei geschlossenen Schleifbahnen, wie sie beispielsweise bei Schleifringen eingesetzt werden, Reflexionen und Probleme mit Mehrwegeausbreitung auf. Reflexionen sind nur schwer vermeidbar, da konventionelle Schleifbahnen nur schlecht Reflexionsfrei abschließbar sind. Die Mehrwegeausbreitung ergibt sich dadurch, dass ein in der Schleifbahn eingespeistes Signal diese in beiden Richtungen durchläuft. Abhängig vom Abstand des Abgriffs von dem Einspeisepunkt kann dieser nun die Signale, welche sich auf beiden Wegen ausbreiten, abgreifen. Sind Abgriff und ein Speisepunkt nicht exakt gegenüber positioniert, so werden zwei Signale mit unterschiedlichen Laufzeiten von Speisepunkt aus abgegriffen. Dies führt zu einer unvermeidlichen Verzerrung und Bandbreitenbegrenzung der Signale.

Für den mechanischen Aufbau derartiger Schleifringe sind verschiedene Technologien bekannt. So können beispielsweise massive Schleifbahnen, welche aus zylindrischen Metallkörpern herausgedreht wurden zusammen mit Isolierkörpern zu einem Schleifring mit mehreren Übertragungswegen gestapelt werden. Derartige Schleifringe zeichnen sich durch hohe Lebensdauer aus. Allerdings sind die Herstellungskosten relativ hoch. Günstiger in der Herstellung sind meist Schleifringe, welche auf Leiterplatten in Form gedruckter Schaltungen realisiert sind. Hier ist die Schleifbahn eine kreisförmige Leiterbahn auf der Leiterplatte. Allerdings sind hier in der Herstellung gegenüber der herkömmlichen Leiterplattentechnik eine Reihe spezieller zusätzlicher Verfahrensschritte notwendig. So wird die Leiterbahn mit einer Oberflächenbeschichtung aus Silber oder Gold versehen. Derartige Schleifringe sind preisgünstiger als die zuvor beschriebenen massiven Schleifringe herzustellen, weisen aber eine geringere Lebensdauer auf. Ein in Leiterplattentechnik hergestellter Schleifring ist beispielsweise in der DE 196 01 965 A1 offenbart.

Zum Abgriff der Signale werden bei den meisten dieser Schleifkontaktanordnungen, sofern sie nicht zur Übertragung hoher Leistungen eingesetzt werden, meistens Kontakte aus einem Federdraht eingesetzt. Zur Verbesserung des Kontakts und der Leitfähigkeit enthalten diese meist einen höheren Anteil an Gold.

Gerade bei der Übertragung von hochohmigen Sensorsignalen weisen diese Kontaktsysteme aber einen nicht zu vernachlässigen Rauschpegel auf. So ist bekannt, dass bei bestimmten Kontaktarten, insbesondere Kohle auf Metall, der Übergangswiderstand und das Rauschen mit zunehmendem Strom abnehmen. So ist gerade bei der Übertragung hochohmiger Sensorsignale mit niedrigen Strömen einen hoher Rauschpegel zu erwarten.

Neben den in Form von Schleifringen bekannten Drehübertragern sind auch Potentiometer, beispielsweise aus der DE 35 13 561 C2 bekannt. Derartige Potentiometer weisen einen positionsabhängigen Widerstand auf. Dieser positionsabhängige Widerstand wird durch einen drehbaren ersten Schleifer abgetastet. Das derart abgetastete Signal wird nun über einen zweiten Schleifer mittels einer Schleifbahn wieder zur Basis des Potentiometers zurück übertragen. Damit können diese Potentiometer als Steuerelemente oder auch als Stellungsmelder, beispielsweise für Stellantriebe eingesetzt werden. Bei Potentiometern steht die Abhängigkeit des Widerstandes als Funktion der Position des Schleifers im Vordergrund. So ist es wichtig, diese an die jeweiligen Gegebenheiten, insbesondere Drehwinkel etc. anzupassen. Weiterhin sind Potentiometer regelmäßig so ausgebildet, dass eingespeistes und abgegriffenes Signal wieder auf der selben Seite der drehbaren Anordnung zur Verfügung gestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schleifringe bzw. Schleifbahnen derart zu verbessern, dass sie gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Lebensdauer aufweisen, kostengünstiger herstellbar sind und insbesondere ein geringeres Kontaktrauschen aufweisen. Weiterhin sollen insbesondere im Falle der Übertragung hochfrequenter Signale die Reflexionen sowie die Störungen durch Mehrwegeausbreitung verringert werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie zwischen wenigstens zwei gegeneinander beweglichen Einheiten umfasst eine entlang der Bahn der Bewegung angeordnete Leiterbahn aus elektrisch leitfähigen Material sowie einen entlang dieser Leiterbahn beweglichen Abgriff zur ein- bzw. Auskopplung elektrischer Signale. Die Leiterbahn besteht aus einem Widerstandmaterial, wie es beispielsweise für Potentiometer eingesetzt wird. Derartige Widerstandsmaterialien sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Um einen Träger mit Widerstandmaterial zu beschichten sind verschiedene Techniken bekannt. Dies sind Dickschicht-Techniken wie zum Beispiel Siebdruck, das Aufbringen von Widerstandsfolien wie zum Beispiel Plattieren, Dünnschichttechniken wie zum Beispiel Aufdampfen, Flammsprühen, Kathodenzerstäubung oder chemisches Aufbringen, welches selbst wieder mit oder ohne elekt rischen Strom erfolgen kann. Weiterhin sind auch pyrolytische Verfahren zur Beschichtung des Trägers mit den Widerstandmaterial geeignet.

Diese Widerstandsmaterialien sind in vielfältigen Widerstandsbereichen erhältlich. Vorzugsweise ist für eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein möglichst niedriger Widerstandsbereich auszuwählen. Wesentlich wichtiger ist jedoch meist das Kontaktrauschen. So kann bei hochohmigen Systemen auch einen höherer Übergangswiderstand akzeptiert werden. In einem solchen Fall ist bevorzugt das Widerstandmaterial unter dem Gesichtspunkt eines geringen Kontaktrauschens auszuwählen.

Es können auch erfindungsgemäß mehrere Leiterbahnen bzw. mehrere Abgriffe miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise auf einer Leiterbahn eine Kombination aus mehreren Abgriffen, welche sich wahlweise mechanisch miteinander gekoppelt oder auch unabhängig voneinander bewegen, vorgesehen sein. So ist die gleichzeitige Signalübertragung zum mehreren unabhängig voneinander beweglichen Einheiten möglich. Ebenso können auch mehrere Leiterbahnen vorgesehen sein. Insbesondere ist es sinnvoll mehrere Leiterbahnen und mehrere Abgriffe zu gleichzeitigen Übertragung mehrerer Signale vorzusehen. Es wird hier nicht zwischen Signalen und Energie unterschieden, da diese gegenseitig austauschbar sind. Allerdings ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise zu Übertragung kleiner Energien bzw. kleiner Ströme geeignet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stehen Leiterbahnen und Abgriff in galvanischem Kontakt miteinander. Diese entspricht der klassischen Ausgestaltung als kontaktierender Schleifring. Sie ist insbesondere auch zur Übertragung kleiner bis mittlerer Leistungen, wie beispielsweise zur Energieversorgung von beweglichen Schaltungsteilen einsetzbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Leiterbahn und Abgriff in einem geringem Abstand voneinander angeordnet. Dadurch wird ein mechanischer Kontakt und der damit verbundene Abrieb sowie die erhöhte Reibung der beiden gegenüber beweglichen Komponenten vermieden werden. Eine Signalkopplung ist und beispielsweise mittels der Kapazität zwischen Leiterbahn und Abgriff möglich. Ebenso ist eine Signalkopplung, welche auf induktiven Eigenschaften von Leiterbahn und Abgriff beruht, realisierbar. Durch die kapazitive Kopplung sind insbesondere hochfrequente Signale bzw. hochfrequente Signalanteile gut übertragbar.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass Leiterbahn und Abgriff derart ausgebildet sind, dass sie in Ruhelage in mechanischem Kontakt stehen. Durch die Bewegung der beiden Teile gegeneinander baut sich ein dünner Luftfilm (Bernoulli – Effekt, Hydrodynamisches Parodoxon) zwischen Leiterbahn und Abgriff auf, welche eine unmittelbare Berührung der Komponenten verhindert. In diesem Falle kann auf Grund der Kapazität zwischen Leiterbahn und Abgriff weiterhin eine Signalübertragung stattfinden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Leiterbahn an mehreren Punkten niederohmig bzw. mittels einer definierten Impedanz mit einem gemeinsamen Speisepunkt verbunden. Erfolgte Einspeisung ausschließlich an einem Punkt, so ist für den Fall, dass der Abgriff die Leiterbahn in unmittelbarer Nähe dieses Punktes berührt, der Übergangswiderstand am geringsten. Berührt der Abgriff die Leiterbahn an der von der Kontaktierung am weitesten entfernten Stelle, so ist der Übergangswiderstand maximal. Durch eine Einspeisung an mehreren Punkten kann der mittlere Übergangswiderstand reduziert werden. Erfolgt beispielsweise eine Einspeisung an vier gleich verteilten Punkten, so ist der mittlere Wege zwischen zwei Speisepunkten auf ein Viertel reduziert. Entsprechend reduziert sich auch der maximale Übergangswiderstand. Allerdings tritt nun eine periodische Schwankungen des Übergangswiderstandes auf. Diese kann beispielsweise zur Positionserkennung eingesetzt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Leiterbahn auf einer leitfähigen Fläche aufgebracht. Diese leitfähigen Fläche ist vorzugsweise niederohmig mit dem Speisepunkt verbunden. Durch die leitfähige Fläche erfolgter Stromfluss nicht längs der Leiterbahn vom Speisepunkt zum Abgriff, sondern von der leitfähigen Fläche durch die Dicke der Leiterbahn zum Abgriff. Somit wird dem Strom ein wesentlich geringerer Widerstand entgegengesetzt. Beträgt beispielsweise die gesamte Weglänge der Leiterbahn 100 mm und die Dicke der Leiterbahn 100 Mikrometer, so ist bei dieser Ausgestaltung der Übergangswiderstand auf 1/1000 reduziert. Durch diese Ausgestaltung erreicht man nahezu die Leitfähigkeit der leitenden Fläche verbunden mit den guten Übertragungseigenschaften der Leiterbahn.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eine zweite Leiterbahn vorgesehen welche an einem oder mehreren entgegengesetzt zur ersten Leiterbahn angeordneten Punkt kontaktiert ist. Weiterhin steht der Abgriff in gleichzeitiger Verbindung mit der ersten Leiterbahn und zumindest der zweiten oder einer weiteren Leiterbahn. Durch diese Anordnung lässt sich der mittlere Übergangswiderstand näherungsweise konstant halten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abgriff derart ausgebildet dass er mindestens eine Leiterbahn an mehreren Stellen kontaktiert. Dadurch lässt sich ebenfalls der Übergangswiderstand sowie das Kontaktrauschen verringern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit erhöhen. Erfolgt die Kontaktierung an mehreren, gegeneinander versetzten Stellen, so kann hierdurch ebenso wie bei mehrfacher Kontaktierung der Leiterbahn der Übergangswiderstand reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist die Kombination aus mehrfacher Kontaktierung der Leiterbahn und gleichzeitiger Ausgestaltung mit mehreren, gegeneinander versetzten Abgriffen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Anzahl der Kontaktierungen der Leiterbahn sowie die Anzahl der Abgriffe unterschiedlich sind. Durch eine geeignete Auswahl dieser Anzahlen lässt sich weiter der mittlere Übergangswiderstand reduzieren, da dann nicht wie bei Gleichen Anzahlen alle Abgriffe gleich weit von den Kontaktierungen entfernt sind, sondern sich immer zumindest einer der Abgriffe wesentlich näher als die anderen an einer Kontaktierung befindet.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung weist eine zusätzliche Auswerteeinheit zur Auswertung des Übergangswiderstandes zwischen erster Einheit und zweiter Einheit auf. Aus dem Widerstandswert wird ein Positionssignal ermittelt und ausgegeben. Somit kann neben der Datenübertragung gleichzeitig eine Positionserkennung realisiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine zusätzliche Auswerteeinheit zur Auswertung des Übergangswiderstandes zwischen erster Einheit und zweiter Einheit vorgesehen, welche aus dem Widerstandswert einen Lebensdauerwert bzw. Verschleißwert errechnet. So kann je nach Ausgestaltung der Übergangswiderstand mit zunehmendem Verschleiß ansteigen bzw. im Falle einer niederohmigen Leiterbahn unter der Widerstandsschicht absinken. Diese Änderung des Widerstandswertes kann nun in eine Verschleißanzeige bzw. eine Anzeige der zu erwartenden Lebensdauer umgesetzt werden.

Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
2 zeigt eine Anordnung mit mehrfacher Kontaktierung der Leiterbahn.
1 zeigt in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht. Eine zweite Einheit (2) ist gegenüber einer ersten Einheit (1) beweglich angeordnet. Der Richtungspfeil (5) zeigt die Richtung der Bewegung an. Die erste Einheit (1) weist eine entlang der Bahn der Bewegung angeordnete Leiterbahn (3) auf. Diese Leiterbahn ist mittels der Kontaktierung (6) zur Stromführung anschließbar. Ein Abgriff (4) an der zweiten Einheit (2) dient zur Einkopplung bzw. Auskopplung elektrischer Signale in die Leiterbahn bzw. aus der Leiterbahn.
2 zeigt im oberen Teil in der Draufsicht eine Anordnung mit mehrfacher Kontaktierung der Leiterbahn. So ist die Leiterbahn (3) mittels der Kontaktierung (6) an den Kontaktierungspunkten (7a, 7b, 7c) kontaktiert. Der untere Teil von 2 stellt in Diagrammform den Übergangswiderstand als Funktion der Position des Abgriffs dar, wobei die Zuordnung des Weges maßstabsgetreu mit den oberen Teil aus Fig. zwei übereinstimmt. Die Kurve (8) zeigt den Übergangswiderstandes, wie er bei ausschließlicher Kontaktierung der Leiterbahn (3) an dem Kontaktierungspunkt (7a) verlaufen würde. In der Kurve (9) ist der Verlauf des Übergangswiderstandes bei gleichzeitiger Kontaktierung an den Kontaktierungspunkten (7a, 7b, 7c) dargestellt, wobei von einer niederohmigen Kontaktierung im Vergleich zum Übergangswiderstandes der Leiterbahn ausgegangen wird. So ist bereits in der Mitte des Weges zwischen den Kontaktierungspunkten (7a) und (7b) der Übergangswiderstand halb so groß, wie in Kurve (8), da die beiden Übergangswiderstände in Richtung zu dem Kontaktierungspunkt (7a) und dem Kontaktierungspunkt (7b) parallel geschaltet sind. Somit ergibt sich in diesem Beispiel mit einer dreifachen Kontaktierung 1/8 des Übergangswiderstandes verglichen mit einer einfachen Kontaktierung.

1: Erste Einheit
2: Zweite Einheit
3: Leiterbahn
4: Abgriff
5: Richtungspfeil
6: Kontaktierung
7: Kontaktierungspunkte
8: Widerstandsverlauf bei einfacher Kontaktierung
9: Widerstandsverlauf bei dreifacher Kontaktierung

Claims

Schleifring oder Schleifbahn zur Übertragung elektrischer Signale zwischen zwei gegeneinander beweglichen Einheiten, wobei eine erste Einheit (1) eine entlang der Bahn der Bewegung angeordnete Leiterbahn (3) aus elektrisch leitfähigem Material aufweist und eine zweite Einheit (2) einen entlang der Leiterbahn (3) beweglichen Abgriff (4) zur Übertragung elektrischer Signale in die Leiterbahn (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (3) aus einem Widerstandsmaterial besteht, welches durch eines der folgenden Verfahren auf einen Träger aufgebracht ist: – Dickschicht-Techniken oder – Aufbringen von Widerstandsfolien.
Schleifring oder Schleifbahn nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahn (3) und Abgriff (4) in galvanischem Kontakt miteinander stehen.
Schleifring oder Schleifbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahn (3) und Abgriff (4) in geringem Abstand voneinander angeordnet sind, so dass diese sich nicht berühren, wobei die Signalkopplung kapazitiv erfolgt.
Schleifring oder Schleifbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahn (3) und Abgriff (4) derart ausgebildet sind, dass sie in Ruhelage in mechanischem Kontakt stehen und bei Bewegung mit hoher Geschwindigkeit ein Luftfilm zwischen Leiterbahn und Abgriff aufgebaut wird, welcher eine unmittelbare Berührung verhindert.
Schleifring oder Schleifbahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (3) an mehreren Punkten (7) niederohmig mit einem Speisepunkt verbunden ist.
Schleifring oder Schleifbahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahn (3) auf einer leitfähigen Fläche aufgebracht ist.
Schleifring oder Schleifbahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zweite Leiterbahn vorgesehen ist, welche an einem oder mehreren versetzt, vorzugsweise entgegengesetzt zur ersten Leiterbahn (3) angeordneten Punkten kontaktiert ist und der Abgriff in gleichzeitiger Verbindung mit der zweiten oder einer weiteren Leiterbahn steht.
Schleifring oder Schleifbahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere miteinander verbundene Abgriffe derart vorgesehen sind, dass sie gleichzeitig eine Leiterbahn an mehreren Stellen kontaktieren.
Schleifring oder Schleifbahn nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kontaktierungspunkte der Leiterbahn (3) und die Anzahl der Abgriffe (4) unterschiedlich sind.
Schleifring oder Schleifbahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Auswerteeinheit zur Auswertung des Übergangswiderstandes und zur Ausgabe eines Positionssignals, welches aus den Übergangswiderstandes ermittelt wird, vorgesehen ist.
Schleifring oder Schleifbahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Auswerteeinheit zur Auswertung des Übergangswiderstandes und zur Ausgabe eines Verschleißsignals bzw. Anzeige der noch verbleibenden Betriebsdauer, welche aus den Übergangswiderstand ermittelt wird, vorgesehen ist.