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Technisches Gebiet
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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 Werkzeugmaschinen oder auch in Computertomografen
eingesetzt.
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Stand der Technik
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Bei
Schleifringen bzw. Schleifbahnen sind kontaktierende sowie kontaktlose Übertragungstechniken
bekannt. Da das technische Funktionsprinzip von Schleifringen zur
Drehübertragung
sowie von linearen Schleifbahnen zur linearen bzw. kurvenförmigen Übertragung
dasselbe ist, wird in den folgenden Ausführungen nicht weiter zwischen
diesen unterschieden. Die Begriffe werden synonym verwendet.
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Die
Funktionsweise einer elektrischen Signalübertragung wird nachfolgend
am Beispiel eines Schleifrings kurz erläutert. Kreisförmige bzw.
ringförmige
Leiterbahnen sind an 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. Alternativ zu einem schleifenden Kontakt ist auch ein berührungsloser
Abgriff mög lich. In
diesem Fall erfolgt die Kopplung vorzugsweise kapazitiv oder induktiv,
beispielsweise über
eine Feldsonde. Derartige kontaktlose Übertragungen werden vorzugsweise
bei mittleren bis hohen Frequenzen eingesetzt. Es wird hier auf
den Begriff der Leiterbahn an Stelle einer Schleifbahn Bezug genommen, da
diese grundsätzlich
auch zur kontaktlosen sowie zur kontaktierenden Übertragung geeignet ist. Ferner wird
nicht zwischen der Übertragung
elektrischer Signale und Energie unterschieden, da hier die Mechanismen
der Übertragung
grundsätzlich
identisch sind.
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Gerade
bei mittel- und hochfrequenten Signalen besteht ein Problem dieser
Anordnungen darin, diese Signale möglichst störungsfrei entlang der Leiterbahn
zu übertragen.
Mit den normalerweise eingesetzten Leiterbahnen können nur
elektrische Signale übertragen
werden, deren Wellenlänge
groß gegenüber der
elektrischen Weglänge
der Leiterbahnen ist. Bei kleinen Vorrichtungen, beispielsweise
bei Schleifringen mit nur wenigen Millimetern Durchmesser ist die
Länge der
Leiterbahn in der Regel vernachlässigbar,
somit können
hier hohe Bandbreiten realisiert werden. Bei großen Anordnungen, beispielsweise
bei Schleifringen wie sie in Computertomografen eingesetzt werden,
und welche einen Umfang von über
fünf Meter
aufweisen, sind nur noch relativ niedrige Bandbreiten realisierbar.
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Eine
in der
US-Patentschrift 5,018,174 dargestellte
Lösung
verbessert die Übertragungseigenschaften
der Leiterbahnen. Es wird hier ein Abschlusswiderstand an einer
diametral der Einspeiseposition gegenüberliegen den Position angeordnet. Der
Nachteil dieser Anordnung ist, dass durch diesen sogenannten Abschlusswiderstand
tatsächlich
kein reflexionsfreier Abschluss realisierbar ist. Es treten an der
Stelle des sogenannten Abschlusswiderstandes immer noch Reflexionen
auf, welche zu Störungen
des Signals führen.
Weiterhin muss insbesondere bei einer Signaleinspeisung von der
zweiten Einheit aus noch ein weiterer beweglichen Abgriff (Bürste oder
Bürstenblock)
an der zweiten Einheit vorgesehen sein. Dieser weitere Abgriff ist
diametral gegenüberliegend
(um 180 Grad gegenüber
der Einkoppelstelle versetzt) angeordnet. Somit sind bei einer solchen
Anordnung immer zwei bewegliche Abgriffe notwendig. Dies führt zu erhöhten Kosten
in der Herstellung und erhöhtem
Verschleiß im
Falle einer schleifenden Kontaktanordnung.
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Die
US 4210885 offenbart eine
verlustbehaftete Leitung zur Reduzierung von Reflexionen in Mikrochipgehäusen.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schleifringe bzw. Schleifbahnen
derart zu verbessern, dass sie bei einfacherer und damit kostengünstigerer
Herstellung gegenüber
dem Stand der Technik eine verbesserte Signalübertragung aufweisen.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist in dem unabhängigen
Patentanspruch angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der abhängigen
Ansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Übertragung
elektrischer Signale bzw. Energie zwischen wenigstens zwei gegeneinander
beweglichen Einheiten umfasst wenigstens zwei entlang der Bahn der
Bewegung angeordnete Leiterbahnen aus elektrisch leitfähigem Material
sowie wenigstens einen entlang dieser Leiterbahn beweglichen Abgriff
zur ein- bzw. Auskopplung elektrischer Signale. Erfindungsgemäße Leiterbahnen
weisen selbst eine Dämpfung
auf, welche das über
die Leiterbahn übertragene
Signal dämpfen.
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Der
bisherige Stand der Technik basiert darauf, dass das Signal möglichst
verlustfrei über
die Leiterbahn übertragen
werden soll und die Leiterbahn an einer diskreten Stelle möglichst
reflexionsfrei abgeschlossen ist. Untersuchungen haben aber gezeigt,
dass insbesondere bei geschlossenen Leiterbahnen ein reflexionsfreier
Abschluss nicht realisierbar ist. Geschlossene Leiterbahnen sind
aber besonders kostengünstig
zu fertigen und weisen insbesondere bei kontaktierendem Abgriff
einen wesentlich geringeren Verschleiß der Kontaktbürsten auf. Bei
unterbrochenen Leiterbahnen ergibt sich ein höherer Verschleiß dadurch,
dass die Kontaktbürsten über wenigstens
eine Schwelle oder Nut laufen müssen.
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Im
Gegensatz hierzu verfolgt die Erfindung einen grundlegend anderen
Ansatz. Die Leiterbahnen selbst werden verlustbehaftet ausgeführt, so dass
das Signal bereits beim Durchlaufen der Leiterbahnen abgeschwächt wird.
Somit können
die Abschlusswiderstände
an den Leiterbahnen entfallen. Eventuelle Reflexionen an den Enden
von offenen Leiterbahnen oder anderen Störstellen werden abgeschwächt und
beeinflussen damit das zu übertragende
Signal nur unwesentlich.
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Erfindungsgemäß werden
die Leiterbahnen mit zusätzlichen
Dämpfungswiderständen versehen. Somit
können
herkömmliche
Leiterbahnen eingesetzt werden, bei denen die Dämpfung durch die Schaltung
mit zusätzlichen
Dämpfungswiderständen hergestellt
wird. Diese zusätzlichen
Dämpfungswiderstände müssen zumindest
eine verlustbehaftete Komponente aufweisen. Zusätzlich können diese induktive oder kapazitive
Komponenten aufweisen. Dadurch lässt
sich eine frequenzabhängige
Dämpfung
realisieren.
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Weiterhin
ist die Anzahl der Dämpfungswiderstände größer 2. Erfindungsgemäß soll eben
nicht ausschließlich
ein Abschluss der Leiterbahnen erfolgen, vielmehr soll eine Dämpfung im
Verlauf der Leiterbahnen realisiert sein. Hierzu sind mindestens
drei Dämpfungswiderstände notwendig.
Mit einer höheren
Anzahl von Dämpfungswiderständen wird
der Verlauf der Dämpfung
kontinuierlicher und die an den Orten der Dämpfungswiderstände erzeugten
Reflexionen sinken. Allerdings steigen mit der Anzahl der Dämpfungswiderstände auch
die Fertigungskosten. Versuche zur Optimierung der Übertragungseigenschaften
haben gezeigt, dass bereits mit 3, 4 oder auch 5 Dämpfungswiderständen eine
wesentliche Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik erreicht werden kann.
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Die
Erfindung sieht geschlossene Leiterbahnen vor. Gerade bei geschlossenen
Leiterbahnen kommen die Vorteile der verlustbehafteten Leiterbahn
besonders zum Tragen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen
die Leiterbahnen ein Widerstandmaterial. Derartige Widerstandmaterialien
sind beispielsweise Kohle, Keramik-Metall-Verbindungen oder auch
hochohmige Metall-Legierungen. Durch eine solche Ausgestaltung entstehen
die Verluste zur Dämpfung
des übertragenen
Signals in den Leiterbahnen selbst.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die
Dämpfungswiderstände gleichmäßig über die
Länge der
Leiterbahnen verteilt. Somit ergibt sich ein gleichmäßiger Dämpfungsverlauf.
Bei speziellen Anforderungen könnte
allerdings auch der Dämpfungsverlauf
angepasst werden. So könnte
an bestimmten Orten eine höhere
Anzahl von Dämpfungswiderständen angebracht
werden. Vorzugsweise weisen die Dämpfungswiderstände alle
den gleichen Wert auf.
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Eine
Parallelschaltung zu bekannten Leiterbahnen, sei es bei Leiterbahnen
aus massivem Messing oder in gedruckter Schaltungstechnik ist besonders
einfach. Hierzu müssen
insbesondere die Leiterbahnen nicht unterbrochen werden.
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Vorteilhafterweise
beträgt
die Dämpfung
einer Leiter bahn wenigstens 6 dB. Wird insbesondere bei Schleifringen
ein Signal entlang des Verlaufs um 6 dB, also auf die halbe Amplitude
der Signalspannung abgeschwächt,
so ist trotz einer Überlagerung des
aktuellen empfangenen Signals noch eine eindeutige Auswertung des
Signals möglich.
Höhere Dämpfungswerte
ergeben hier eine bessere Signalqualität. Allerdings sinkt durch die
Dämpfung
der Leiterbahnen auch die empfangene Signalamplitude, so dass hier
von Fall zu Fall entsprechend die optimale Dämpfung der Leiterbahn ermittelt
werden muss.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung.
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2 zeigt
eine symmetrische Leiteranordnung.
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3 zeigt
eine unsymmetrische Leiteranordnung.
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4 zeigt
eine Anordnung entsprechend dem Stand der Technik.
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5 zeigt
den Abschluss einer geschlossenen Leiterbahn.
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6 zeigt
in Abschluss einer unterbrochenen Leiterbahn.
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7 zeigt
das Ersatzschaltbild einer dem Stand der Technik entsprechenden
Anordnung mit geschlossener Leiterbahn.
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8 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer dem Stand der Technik entsprechenden
Anordnung mit unterbrochener Leiterbahn.
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9 zeigt
das Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung mit parallel
geschalteten Dämpfungswiderständen.
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1 zeigt
in schematischer Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Eine Leiterbahn
(10) dient zur Übertragung
elektrischer Signale. Selbstverständlich werden in der Praxis
Anordnungen aus mehreren Leiterbahnen, wie diese beispielsweise
in 2 oder 3 dargestellt sind eingesetzt.
Der Einfachheit halber wird in den folgenden Erläuterungen aber nur auf eine
Leiterbahn (10) Bezug genommen. Es wird hier beispielhaft
eine Anordnung mit einem Sender, welcher fest an die Leiterbahn
angekoppelt ist und einem gegenüber
diesem beweglich angeordneten Empfänger erläutert. Der Richtungspfeil zeigt
die möglichen
Richtungen der Bewegung an. Selbstverständlich ist der Gegenstand der
Erfindung auch auf Anordnungen übertragbar,
bei denen beispielsweise der Sender beweglich gegenüber der Leiterbahn
angeordnet und Empfänger
fest mit dieser verbunden ist. Ebenso können aber auch Sender und Empfänger beweglich
gegen über
der Leiterbahn angeordnet sein. An der Einkoppelstelle (5)
wird von Sender (4) ein Signal in die Leiterbahn (10)
eingekoppelt. Ein beweglich angeordneter Empfänger (6) koppelt an
seiner aktuellen Position, der Auskoppelstelle (7) ein
Empfangsignal aus der Leiterbahn aus. Weiterhin sind hier beispielhaft
4 Dämpfungswiderstände (15)
an verschiedenen Positionen der Leiterbahn angeordnet. Die Wirkung
ist folgende: ein an der Einkoppelstelle (5) eingespeistes
Signal breitet sich in beiden Richtungen entlang der ringförmigen Leiterbahn
aus. Die Signalkomponente, welche sich im Urzeigersinn ausbreitet,
erreicht nach kurzer Zeit mit relativ geringer Dämpfung die Auskoppelstelle
(7). Die andere Signalkomponente, welche sich in entgegengesetzter
Richtung ausbreitet, erreicht die Auskoppelstelle (7) verzögert und
mit deutlicher Dämpfung durch
die verlustbehaftete Leiterbahn (10). Somit kann dieses
zweite Signal das erste Signal kaum mehr beeinflussen.
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In 2 ist
beispielhaft ein typischer Aufbau eines Leitersystems dargestellt,
welches aus zwei Leiterbahnen (1) und (2) besteht
und zur Führung elektrischer
Signale dient. Beide Leiterbahnen sind in einem Träger aus
einem Dielektrikum (3) befestigt. Vorzugsweise werden durch
eine solche Leiteranordnung symmetrische Signale übertragen.
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In 3 ist
beispielhaft eine weitere Anordnung in Form eines unsymmetrischen
Leitersystems dargestellt. Hierbei ist ein äußerer Leiter (2) sowie
ein innerer Leiter (1), beabstandet durch ein Dielektrikum (3)
vorgesehen.
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In 4 ist
eine Schleifringanordnung entsprechend dem Stand der Technik dargestellt.
Eine geschlossene Leiterbahn (10) weist an der Einkoppelstelle
(5) einen Sender (4) auf. An einer diametral gegenüberliegenden
Abschlussposition (9) ist ein Abschluss (8) angeordnet.
Ein Signalabgriff erfolgt an der Auskoppelstelle (7) durch
einen beweglich angeordneten Empfänger (6).
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In 5 ist
die Anordnung des Abschlusses an einer geschlossenen Leiterbahn
(10) dargestellt. Hierin ist an der Anschlussposition (9)
der Abschluss (8) angebracht. Die Pfeile (11)
deuten einen Schnitt durch die Leiterbahn (10) an, auf
den später
noch Bezug genommen wird.
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In 6 ist
entsprechend der 5 die Anordnung des Abschlusses
an einer unterbrochenen Leiterbahn (10) dargestellt. Die
beiden Enden der Leiterbahn sind jeweils an dem Abschlusspositionen (9)
und (13) mit den Abschlüssen
(8) und (12) beschaltet. Der Schnitt durch die
Leiterbahn (10) ist mit den Pfeilen (14) gekennzeichnet.
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7 zeigt
schematisch ein Ersatzschaltbild einer dem Stand der Technik entsprechenden,
geschlossenen Leiteranordnung mit einem Abschluss entsprechend 5.
Die Betrachtung der elektrischen Impedanzen erfolgt in Richtung
des Schnittpfeils (11). Betrachtet man nun von der Basis
der Pfeile (11) ausgehend die Impedanzen der Leiterbahn,
so ist folgende Anordnung erkennbar:
- • ein Stück der Leiterbahn
(10) gefolgt von
- • dem
Abschluss (8), gefolgt von
- • der
gesamten Leiterbahn (10), hier der Anschaulichkeit halber
als (10')
dargestellt, gefolgt von
- • dem
Abschluss (8), welcher hier nun von der elektrischen Welle
ein zweites Mal durchlaufen wird und entsprechend hier als (8') dargestellt
ist.
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Bei
weiteren Durchläufen
wird die Leiterbahn (10) sowie der Abschluss (8)
wiederum durchlaufen, hier für
den zweiten vollständigen
Durchlauf als (10'') sowie (8'') dargestellt.
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Mit
dieser Anordnung ist ein reflexionsfreier Abschluss nicht realisierbar,
da auf den Abschluss (8) wieder die Leiterbahn (10)
folgt. Damit ergibt sich eine Parallelschaltung der Impedanz des
Abschlusses (8) sowie der transformierten Impedanz der
Leitung (10). Weiterhin kann die Welle die Leitung theoretisch
beliebig oft durchlaufen. Sie wird hierbei von Durchlauf zu Durchlauf
allerdings etwas abgeschwächt.
Dennoch sind auch hier in der Praxis deutliche Überlagerung mit einander zeitversetzten
Signalen, entsprechend der Laufzeit der gesamten Länge der
Leiterbahn (10) festzustellen.
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In
8 ist
das Ersatzschaltbild einer entsprechenden Anordnung mit unterbrochener
Leiterbahn (
10) aus
6 dargestellt.
Hierin ist zu erkennen, dass ausgehend von der Basis des Schnittpfeils (
14)
ein Stück
Leiterbahn (
10) abgeschlossen mit dem Abschluss (
8)
vorliegt. In diesem Fall lässt
sich tatsächlich
ein weitgehend reflexionsfreier Abschluss erreichen. Allerdings
ist hierzu die Leiterbahn zu unterbrechen und weiterhin ist eine
Anordnung mit einem Sender beweglich zu Leiterbahn nicht realisierbar,
da die Unterbrechung exakt gegenüberliegend dem
Sender angeordnet sein muss. Zur Erklärung des Effekts wird auf die
US 5,018,174 verwiesen.
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In 9 ist
das Ersatzschaltbild eine erfindungsgemäße Anordnung mit parallel geschalteten Dämpfungswiderständen dargestellt.
Entsprechend den Schnitten aus den 5 bzw. 6 ergibt
sich eine Serienschaltung von jeweils kurzen Stücken einer Leiterbahn (10)
gefolgt von Dämpfungswiderständen (15).
Die Dämpfungswiderstände sind
hier parallel zu den Stücken
der Leiterbahn (10) angeordnet. Dies würde beispielsweise in 2 eine
Verbindung der beiden Leiterbahnen (1) und (2)
durch einen Dämpfungswiderstand
(15) bedeuten. Analog wäre in 3 die
innere Leiterbahn (1) mit der diese umgebenden Leiterbahn
(2) verbunden. Die Stücke
der Leiterbahn sind hier wesentlich kürzer als die gesamte Länge der
Leiterbahn (10). Somit wird ein Signal, welches in die
Leiterbahn (10) eingespeist wird, bereits nach einem kurzen
Stück Leiterbahn
wesentlich gedämpft,
ohne dass dies, wie zuvor erläutert,
mehrmals die gesamte Länge
der Leiterbahn (10) durchlaufen muss. Dadurch werden Störungen durch Überlagerung
zeitverzögerter
Signale, welche durch mehrfaches Durchlaufen des gesamten Rings
entstehen, ausgeschlossen.
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- 1
- Erste
Leiterbahn
- 2
- Zweite
Leiterbahn
- 3
- Dielektrikum
- 4
- Sender
- 5
- Einkoppelstelle
- 6
- Empfänger
- 7
- Auskoppelstelle
- 8
- Abschluss
- 9
- Abschlussposition
- 10
- Leiterbahnen
- 11
- Schnitt
durch Leiterbahnen
- 12
- Abschluss
- 13
- Abschlussposition
- 14
- Schnitt
durch Leiterbahnen
- 15
- Dämpfungswiderstand
(parallel)