DE19821529A1 - Electrical sliding spring for potentiometric sensors and current-voltage taps, e.g. travel and angle sensors for machines, cars or electronic regulating systems, comprises a sliding contact of vitreous carbon - Google Patents
Electrical sliding spring for potentiometric sensors and current-voltage taps, e.g. travel and angle sensors for machines, cars or electronic regulating systems, comprises a sliding contact of vitreous carbonInfo
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Abstract
Description
Heutige Weg- und Winkelsensoren im Maschinenbau, im Automobilbereich oder in der elektronischen Regeltechnik erfordern ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, an Lebensdauerstabilität und an Präzision in der Übersetzung von Weg/Winkeln in elektrische Signale. Ein Beeinflussung der Sensorsignale über Temperatur, Temperaturwechsel, Klima- bzw. Vibrationen soll ausgeschlossen werden, teilweise sind retundante Systeme erforderlich, wo Sicherheitsbedingungen erfüllt werden müssen.Today's displacement and angle sensors in mechanical engineering, in the automotive sector or in electronic control technology require a high degree of reliability Lifetime stability and precision in the translation of path / angles in electrical signals. Influencing the sensor signals via temperature, Temperature changes, climate or vibrations should be excluded, partially redundant systems are required where security conditions are met have to.
Abgesehen von Höchsttechnologien auf optischer oder magnetischer Basis werden diese Systeme heute potentiometrisch gelöst, weil Spannungsteiler nicht gegen Temperaturwechsel empfindlich sind. Eine Potentiometerschaltung ist in Abb. 1 in Aufsicht, in Abb. 2 im Querschnitt gezeigt.Apart from the highest technologies on an optical or magnetic basis, these systems are today solved potentiometrically because voltage dividers are not sensitive to temperature changes. A potentiometer circuit is shown in Fig. 1 in supervision, in Fig. 2 in cross section.
Hierbei bedeuten (1) die äußere Spannung am Prüfpotentiometer (2). Eine Winkel- oder wegabhängige Spannung wird von dem beweglichen Schleiffederkontakt (3) über eine niedrigohmige Kontaktschiene (4), einem Spannungsmeßgerät (5) als Signalspannung zugeführt. Die Signalspannung ergibt den direkten Hinweis auf die Weg-/Winkellage der Schleiffeder und damit auf die anliegende zu messende Größe.Here, ( 1 ) mean the external voltage on the test potentiometer ( 2 ). An angle-dependent or path-dependent voltage is fed from the movable wiper spring contact ( 3 ) via a low-resistance contact rail ( 4 ) to a voltage measuring device ( 5 ) as a signal voltage. The signal voltage gives a direct indication of the path / angular position of the loop spring and thus of the size to be measured.
Beschränkende Größen dieser Technologie sind heute Vibrationen, die über ein Federsystem aufgefangen werden müssen, und Rauschen im Potentiometersignal nach Lebensdauer von mehreren Millionen Betätigungszyklen, das die Weiterverwendung des Sensorsignals stört. Die Ursache für das Rauschen liegt in sich ändernden Übergangswiderständen (6) zwischen den Schleifkontakten und der jeweiligen Schleiferbahn während des Betriebes.The limits of this technology today are vibrations, which have to be absorbed by a spring system, and noise in the potentiometer signal after a lifespan of several million actuation cycles, which disturbs the further use of the sensor signal. The cause of the noise is the changing contact resistance ( 6 ) between the sliding contacts and the respective sliding track during operation.
Die Widerstandsbahn (2), bzw. die Kontaktbahn (4) besteht heute aus polymeren Widerstandspasten hoher Zuverlässigkeit mit hohen tribologischen Fähigkeiten oder aus Cermetpasten. Als Schleiffedermaterial kommen heute Silbernickel, bzw. Mehrfingerschleiffedern aus exotischen Edelmetallegierungen zum Einsatz.The resistance track ( 2 ) or the contact track ( 4 ) today consists of polymeric resistance pastes of high reliability with high tribological capabilities or of cermet pastes. Today silver nickel or multi-finger loop springs made of exotic precious metal alloys are used as grinding spring material.
Abb. 3 zeigt die Schleiffeder (7) mit Silbernickel bzw. Kohlekoloidkontakt als Einzelkontakt (8), wobei jeweils die Kontaktpunkte zur Kontaktgebung auf der Widerstandsbahn dienen, und die Metallstege (9) zur Erzielung der jeweils notwendigen Federkraft beitragen, (10) stellt die Achse zur Drehung der Kontakte auf einer kreisförmigen Potentiometerbahn (4) dar. Fig. 3 shows the sliding spring ( 7 ) with silver nickel or carbon coloid contact as a single contact ( 8 ), whereby the contact points each serve to make contact on the resistance track, and the metal webs ( 9 ) contribute to the achievement of the necessary spring force, ( 10 ) provides Axis for the rotation of the contacts on a circular potentiometer track ( 4 ).
Abb. 4 zeigt ein Mehrfingerschleifsystem (11), wobei die Metallhalterung (12) insgesamt zu einem Einbau in ein Gehäuse dient, die Metallstege (13) zur Erzielung der jeweils notwendigen Federkraft und die Edelmetalldrähte (14) direkt die Kontaktierung der Potentiometerbahn durch die Schleiffeder darstellen. Die Zahl der parallelen Edelmetallkontakte variieren zwischen fünf bis 25 und reduzieren durch die Parallelschaltung den gesamtgültigen Kontaktwiderstand. Fig. 4 shows a multi-finger grinding system ( 11 ), the metal holder ( 12 ) serving as an assembly in a housing, the metal webs ( 13 ) to achieve the necessary spring force and the precious metal wires ( 14 ) directly contacting the potentiometer path through the grinding spring represent. The number of parallel precious metal contacts vary between five to 25 and reduce the total contact resistance due to the parallel connection.
Zunehmende Miniaturisierung hat dazu geführt, daß relativ große gepreßte Nietkontakte bzw. Kohlepimpel durch die wesentlich kleineren Mehrfingerkontakte mit Drahtstärken um 100 Mikrometer ersetzt wurden, weil die Signalfeinheit und Signalauflösung auch durch die Miniaturisierbarkeit der Schleiffeder bestimmt wird. Increasing miniaturization has resulted in relatively large pressed ones Rivet contacts or coal pipelines with the much smaller multi-finger contacts Wire thicknesses around 100 microns have been replaced because of the signal fineness and Signal resolution is also determined by the miniaturizability of the loop spring.
Zunehmender Industrieeinsatz hat den spezifizierten Anwendungsbereich stark erweitert. Gegenüber Regeltechnik im Haushalt wurden der anwendbare Temperaturbereich auf -50°C/+150°C aufgeweitet, sowie Vibrationen, Lebensdaueranforderungen bis über 100 Millionen mechanische Zyklen oder Drehbewegungen sowie ein weites Feld von chemischen Umwelteinflüssen spezifiziert. Insbesondere Temperatur und chemische Umwelteinflüsse führen heute bei der Kontaktgebung im Kontaktpunkt über das jeweilige Mikroklima am Kontakt zu erheblichen Problemen, wie in Abb. 5 an einem Beispiel dargestellt. Abb. 5 zeigt den Übergangswiderstand zwischen Potentiometerbahn und Schleiffeder in Abhängigkeit der Schleiffederposition für einen guten und für einen, nicht verwendbaren Sensor.Increasing industrial use has greatly expanded the specified area of application. Compared to control technology in the household, the applicable temperature range has been expanded to -50 ° C / + 150 ° C, as well as vibrations, service life requirements up to over 100 million mechanical cycles or rotary movements, as well as a wide range of chemical environmental influences. Temperature and chemical environmental influences in particular lead to considerable problems when contacting the contact point via the respective microclimate at the contact, as shown in Fig. 5 using an example. Fig. 5 shows the contact resistance between the potentiometer track and the loop spring depending on the loop spring position for a good sensor and for a sensor that cannot be used.
Daher wurde das Kontaktmaterial für Mehrfachfingerkontakte zunehmend edler und teurer, kann aber chemische Reaktionen (Umweltchemie-Metallegierung) bzw. chemische Abscheidungen (Umweltchemie-Temperatur) sowie Reaktionen des Mikroklimas am Kontakt nicht verhindern.Therefore, the contact material for multiple finger contacts became increasingly noble and more expensive, but can chemical reactions (environmental chemical metal alloy) or chemical deposits (environmental chemistry temperature) and reactions of the Do not prevent microclimate from contact.
Da Kontaktkohle selber ein inertes Material ist, können oben erwähnte Einflüsse durch die erfindungsgemäße Wahl von Spezialkohle reduziert werden. Since contact carbon is itself an inert material, the influences mentioned above can occur can be reduced by the choice of special coal according to the invention.
Ziel der Erfindung ist, das heutige Schleiffedersystem sowohl im Temperaturbereich (Reduzierung der Reaktion Mikroklima-Temperatur) wie auch in der chemischen Stabilität (Reduzierung der Reaktion Mikroklima-Schleiffedermaterial) deutlich zu verbessern.The aim of the invention is the current wiper spring system both in the temperature range (Reducing the reaction microclimate temperature) as well as in the chemical Stability (reduction of the reaction microclimate grinding spring material) significantly improve.
Versuche haben gezeigt, daß durch eine Verbesserung der Polymerlackschicht die oben erwähnten Technologiebeschränkungen zwar reduziert, aber nicht nachhaltig verbessert werden, da chemische Reaktionen an der Schleiffeder und der Schicht im Tribosystem, verbunden mit elektrischer Kontaktgebung, weiterhin stattfinden.Experiments have shown that by improving the polymer lacquer layer Technology restrictions mentioned above may be reduced, but not sustainable can be improved since chemical reactions on the loop spring and the layer in the Tribosystem, connected with electrical contact, continue to take place.
Wird die Menge der Finger des Mehrfingerschleifsystems reduziert, reduziert sich zwar die chemische Reaktivität, der zwischen der Potentiometerbahn und der Schleiffeder bestehende Übergangswiderstand erhöht sich aber wegen der reduzierten Parallelschaltung der Drähte.If the number of fingers of the multi-finger grinding system is reduced, it is reduced the chemical reactivity between the potentiometer path and the Schleifeder existing contact resistance increases because of reduced parallel connection of the wires.
Auch eine Verbesserung des Tribosystems durch Abrundung der Kontakte oder Glättung der Oberfläche bringt keine wesentliche Verbesserung.Also an improvement of the tribological system by rounding the contacts or Smoothing the surface does not bring any significant improvement.
Versuche mit Kohlepimpel oder Koloidkontakten haben gezeigt, daß im Tribosystem die Kohlepreßlinge sowohl zu weich sind - was durch Verschmieren von Kohle zu einer Wertänderung der Potentiometerbahn führt -, wie auch daß die Kohlepreßlinge wegen ihrer Größe die Abtastfeinheit von miniaturisierten Potentiometerbahnen gegenüber den heutigen Anforderungen reduziert.Experiments with coal pipelines or coloid contacts have shown that in the tribosystem the coal compacts are both too soft - which is caused by smearing coal a change in the value of the potentiometer track - as well as that of the coal pellets because of their size, the scanning fineness of miniaturized potentiometer tracks reduced compared to today's requirements.
Erfindungsgemäß lassen sich die Anforderungen nur im Rahmen einer mikro-/elektromechanischen Prozeßkette unter Verwendung eines speziellen hochtemperaturfesten Kohlenstoffs lösen.According to the invention, the requirements can only be met in the context of a micro / electromechanical process chain using a special dissolve high temperature carbon.
Hierbei wird "grüne Kohle" verwendet, (eine nicht fertig ausgehärtetes Material), das sich erst unter weiterer Temperaturbehandlung in eine dichte, hochtemperaturstabile Kohle ausreichender Härte größer als 100 HV mit amorpher Struktur und hinreichend guter Leitfähigkeit umwandelt, sogenannte Glaskohle.Here "green coal" is used, (a not fully hardened material) that only under further temperature treatment in a dense, high temperature stable Coal of sufficient hardness greater than 100 HV with amorphous structure and sufficient good conductivity converts, so-called glass coal.
Prozeßtechnisch bietet die "grüne Kohle" zusätzlich den Vorteil, daß sich bereits beim Herstellprozeß der "grünen Kohle" alle heute bekannten Technologien wie Gießen, Pressen, Spritzen, aber auch Laminieren oder Strangpressen verwenden lassen.In terms of process technology, "green coal" offers the additional advantage that Manufacturing process of "green coal" all known technologies such as casting, Pressing, spraying, but also lamination or extrusion.
Der hierbei entstehende Mehrfachnutzen der "grünen Kohle" in Platten-, Stangen- oder Profilform läßt sich in diesem Vorstadium zudem noch durch heute bekannte mikromechanische Arbeitsschritte wie Sägen, Stanzen und Bohren mechanisch oder unter Einsatz eines Lasers in der Formgebung als Nutzen oder im Einzelteil strukturieren. The resulting multiple benefits of "green coal" in plate, bar or In this preliminary stage, the shape of the profile can also be known today micromechanical work steps such as sawing, punching and drilling mechanically or using a laser in the design as a benefit or in the individual part structure.
Erst eine schließende Temperaturbehandlung führt die "grüne Kohle" in den endgültigen Kohlezustand über, wobei hierbei zudem ein Volumenschwund von ca. 100 Prozent eintritt, der den Kohlekontakt nochmals in der Größe reduziert.Only a closing temperature treatment leads the "green coal" into the final coal condition, with a volume loss of approx. 100 percent occurs, which further reduces the carbon contact in size.
Abb. 6 zeigt an einem Beispiel die verwendbaren Prozeßschritte und den erfindungsgemäßen Einsatz der Kohle als Kontakt. Fig. 6 shows an example of the process steps that can be used and the use of coal as a contact according to the invention.
Abb. 6a zeigt die "grüne Kohle" (15) nach der Herstellung im Grundriß entweder als Platte (16) oder als Steg bzw. Leiter 17). Fig. 6a shows the "green coal" ( 15 ) after production in the plan either as a plate ( 16 ) or as a web or conductor 17 ).
Abb. 6b zeigt die "grüne Kohle" im Querschnitt, wobei Bruchkerben (18) bzw. Einengungen und Verengungen (19) angewendet werden. Fig. 6b shows the "green coal" in cross-section, whereby notches ( 18 ) or constrictions and constrictions ( 19 ) are used.
Abb. 6c zeigt einen Ausschnitt aus der "grünen Kohle" (20) nach einer mechanischen Bearbeitung bzw. Strukturierung durch Laser als Vorstufe für einen zusammenhängenden Kohleschleiffederkontakt. Fig. 6c shows a section of the "green coal" ( 20 ) after mechanical processing or structuring by laser as a preliminary stage for a continuous carbon loop spring contact.
Abb. 6d zeigt mehrere Kontaktkohlen (21) zusammenhängend, wobei zum Beispiel jeweils zwei Kontaktkohlepunkte/Potentiometerschicht angewendet werden (22) sind zum Beispiel Erhebungen, die zur Positionierung der wirkenden Federkräfte geplant sind. Hierzu können ersatzweise auch Sicken (23) verwendet werden. Fig. 6d shows several contact carbons ( 21 ) connected, for example two contact carbon points / potentiometer layer are used ( 22 ) are, for example, surveys that are planned to position the acting spring forces. For this purpose, beads ( 23 ) can also be used as an alternative.
Abb. 6e zeigt ein Beispiel, daß auch runde oder spitze Formgebung möglich ist. Fig. 6e shows an example that round or pointed shapes are also possible.
Abb. 7 zeigt an Hand von Beispielen, aber nicht beschränkend, den Aufbau des vorgeschlagenen neuen Schleiffedersystems. Fig. 7 shows the structure of the proposed new wiper system using examples, but not by way of limitation.
Abb. 7a zeigt ein senkrecht federndes System in einer Versenkung (24) in einem Spritzteil (25), wobei die Federkraft aus gummielastischem Material 26), das in das Spritzteil eingelassen ist, erzeugt wird. Der Kohlekontakt (27) kann, aber muß nicht, einer Form aus 6c bis 6e entsprechen. Fig. 7a shows a vertically resilient system in a recess ( 24 ) in a molded part ( 25 ), the spring force being generated from rubber-elastic material 26 ) which is embedded in the molded part. The carbon contact ( 27 ) can, but need not, correspond to a shape from 6c to 6e.
Abb. 7b zeigt ein Blattfedersystem (28) in einem Spritzteil (29), wobei die Federkraft durch ein eingespritztes Federblech (30) erzeugt wird. (31) stellt hierbei die Kohleschleiffeder, (32) den Federträger insgesamt und (33) die Achsführung für einen Winkelsensor dar. Fig. 7b shows a leaf spring system ( 28 ) in a molded part ( 29 ), the spring force being generated by an injected spring plate ( 30 ). ( 31 ) represents the carbon grinding spring, ( 32 ) the spring support as a whole and ( 33 ) the axis guide for an angle sensor.
Abb. 7c zeigt ein metallenes Blattfedersystem (34), in das der Kohlekontakt (35) eingeclipst wurde. Die Metallfeder (36) kann durch einen Federsteg torsionsfähig, aber auch durch zwei oder mehrere Federstege torsionsgedämpft ausgeführt werden. Fig. 7c shows a metal leaf spring system ( 34 ) into which the carbon contact ( 35 ) has been clipped. The metal spring ( 36 ) can be designed torsionally by a spring bar, but also by two or more spring bars in a torsion-damped manner.
Die Federkräfte können aber auch spritztechnisch aus einem federnden Polymerwerkstoff direkt zusammen mit dem Federträger oder aus federnden Metalleinlagen hergestellt werden. Da die Kohlebrücke bereits im Kohleschleiffedersystem beinhaltet ist, kann die zusätzliche elektrische Verbindung zweier Kontaktpunkte entfallen. Es ist daher kein federndes, elektrisch leitfähiges Metall mehr zur elektrischen Brückenschaltung der nicht federnden elektrischen Kontakte notwendig.The spring forces can also be sprayed from a resilient Polymer material directly together with the spring support or from resilient Metal inserts are made. Since the coal bridge is already in Carbon loop spring system is included, the additional electrical connection two contact points are eliminated. It is therefore not a resilient, electrically conductive Metal more for the electrical bridge connection of the non-resilient electrical Contacts necessary.
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