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Die
Erfindung betrifft ein Schleifringelement gemäß dem Anspruch 1. Darüber hinaus
umfasst die Erfindung, gemäß einem
der Ansprüche
12 oder 13, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schleifringelements.
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Schleifringeinheiten
bestehen üblicherweise unter
anderem aus zwei Schleifringelementen, nämlich einem Stator und einem
Rotor. Der Stator ist häufig
als Schleifringbürste
ausgestaltet, wogegen der Rotor meist eine Folge von Kontaktringen
aufweist. Im Betrieb hat dann die Schleifringbürste gleitenden Kontakt zu
den Mantelseiten der rotierenden Kontaktringe. Derartige Schleifringeinheiten
werden in vielen technischen Gebieten eingesetzt, um elektrische Signale
oder elektrische Leistung von einer ortsfesten auf eine sich drehende
elektrische Einheit zu übertragen.
Damit Schleifringeinheiten mit möglichst geringem
Bauraum bzw. Abmessungen herstellbar sind, besteht permanent der
Wunsch nach einer Miniaturisierung der entsprechenden Schleifringelemente.
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In
der Patentschrift
US 5612584 ist
ein Schleifringelement gezeigt, welches aus massiven gebogenen Blechteilen
besteht, die auf ein Kunststoffteil aufgezogen sind.
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Diese
Bauweise hat den Nachteil, dass die Montage der entsprechenden Schleifringe
aufwändig ist.
Darüber
hinaus weisen derartige Schleifringelemente vergleichsweise große Abmessungen
auf.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schleifringelement
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines kostengünstigen
Schleifringelements zu schaffen, welches einen minimalen Montageaufwand
bedingt, wobei das entsprechende Schleifringelement einen kleinen
erforderlichen Bauraum aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruches 1 bzw. 12 oder 13 gelöst.
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Das
Schleifringelement umfasst demnach ein biegeweiches elektrisch isolierendes
Substrat, das so konfiguriert ist, dass auf diesem eine elektrisch
leitende Kontaktbahn als haftende Schicht aufgebracht ist, wobei
das Substrat zu einem hohlzylindrischen Körper gebogen ist, so dass die
aufgebrachte Kontaktbahn entlang einer Umfangslinie dieses Körpers angeordnet
ist. Dabei kann auf dem Substrat bereits vor dem Biegen eine elektrisch
leitende Kontaktbahn aufgebracht sein. Ergänzend oder alternativ dazu
umfasst die Erfindung auch Schleifringelemente bei denen nach dem
Biegen des Substrats zu einem hohlzylindrischen Körper eine
entsprechende Kontaktbahn aufgebracht wird, die entlang einer Umfangslinie
dieses Körpers
angeordnet ist. Jedenfalls wird zu Beginn der Herstellung des erfindungsgemäßen Schleifringelements
nicht von einem endlosen Ringkörper
als Substrat ausgegangen.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Substrat Befestigungspads
auf, die zur Aufnahme elastischer Rückstellkräfte des gebogenen hohlzylindrischen
Körpers
miteinander verbunden sind, insbesondere durch eine Lötverbindung
oder eine Klebeverbindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Substrat und/oder
die Kontaktbahn mehrschichtig aufgebaut.
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Mit
Vorteil ist das Verhältnis
des Umfangs des hohlzylindrischen Körpers zur Dicke des Substrats
größer ist
als 10, insbesondere größer als
50. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis des Umfangs des hohlzylindrischen
Körpers
zur Dicke der Kontaktbahn größer ist
als 500, insbesondere größer ist
als 1000. Durch diese Ausgestaltung kann beispielsweise wirksam
eine unzulässige
Biegedehnung oder Biegespannung im Substrat und/oder in der Kontaktbahn
vermieden werden.
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Mit
Vorteil umschließt
der hohlzylindrische Körper
ein weiteres Bauteil, welches beispielsweise eine Welle ist. In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der hohlzylindrische Körper an
dem Bauteil zur Aufnahme der Rückstellkräfte des
gebogenen hohlzylindrischen Körpers,
insbesondere durch eine Klebeverbindung, befestigt.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Schleifringelements wird ein isolierendes
Substrat bereitgestellt, auf dem eine elektrisch leitende Kontaktbahn
als haftende Schicht aufgebracht ist. Danach wird das Substrat mit
der Kontaktbahn zu einem hohlzylindrischen Körper gebogen, so dass die Kontaktbahn
entlang einer Umfangslinie dieses Körpers angeordnet ist. In vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung wird die Kontaktbahn in mehreren Schichten,
insbesondere galvanisch, aufgebracht.
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Alternativ
dazu kann auch zur Herstellung eines Schleifringelements zunächst ein
isolierendes Substrat ohne Kontaktbahn bereitgestellt werden. Dieses
Substrat wird danach zu einem hohlzylindrischen Körper gebogen.
In einem späteren
Schritt wird dann eine elektrisch leitende Kontaktbahn auf das Substrat
als haftende Schicht in der Weise aufgebracht, dass die Kontaktbahn
entlang einer Umfangslinie dieses Körpers angeordnet ist.
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In
einem weiteren Schritt können
mit Vorteil Befestigungspads nach dem Biegen zur Aufnahme elastischer
Rückstellkräfte des
gebogenen hohlzylindrischen Körpers
miteinander verbunden werden, insbesondere miteinander verlötet oder
verklebt werden.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Schleifringes und des entsprechenden
Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier
Ausführungsbeispiele
anhand der beiliegenden Figuren.
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Es
zeigen die
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1 eine
Draufsicht auf eine erste Oberfläche
eines Substrats mit Kontaktbahnen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine
Draufsicht auf eine zweite, der ersten gegenüber liegenden Oberfläche des
Substrats,
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3 eine
Draufsicht auf das Substrat mit den Kontaktbahnen, das zu einem
hohlzylindrischen Körper
gebogen ist und eine Welle umschließt,
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4 eine
Seitenansicht des Substrats mit den Kontaktbahnen, das zu einem
hohlzylindrischen Körper
gebogen ist und eine Welle umschließt,
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5 eine
schematische Schnittdarstellung des Substrats entlang der Linie
A-A in 2,
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6 eine
Draufsicht auf eine erste Oberfläche
eines Substrats mit Kontaktbahnen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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7 eine
Seitenansicht des Substrats mit den Kontaktbahnen, das zu einem
hohlzylindrischen Körper
gebogen ist und eine Welle umschließt, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In
den 1 und 2 ist eine Draufsicht auf eine
erste bzw. zweite Oberfläche
eines biegeweichen Substrats 1 gezeigt, auf dem Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 als
haftende Schichten aufgebracht sind, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Darüber
hinaus befinden sich auf dem Substrat 1 Zuleitungen 3.1, 3.2, 3.3,
welche jeweils zu einer der Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 führen. Die
Zuleitungen 3.1, 3.2, 3.3 dienen zur
elektrischen Verbindung der Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 mit
Anschlusspunkten 4.1, 4.2, 4.3.
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Das
Substrat 1 weist im vorgestellten Ausführungsbeispiel gemäß der 5 einen
mehrschichtigen Aufbau auf. Als Kernlage 1b dient eine Kunststofflage,
hier eine Polyimid-Folie, mit einer Dicke von etwa 125 μm. Zu beiden
Seiten dieser Kernlage 1b werden zunächst zwei Haftschichten 1a, 1c aufgebracht
(hier Acrylkleber mit einer Dicke von jeweils 25 μm). Auf diese
Weise haften die Bahnen der Zuleitungen 3.1, 3.2, 3.3 auf
der Kernlage 1b. Auf der zweiten Seite des Substrats 1 wird
eine Schutzfolie 1d aufgebracht, so dass die beiden Zuleitungen 3.2, 3.3 durch
diese Schutzfolie 1d gegenüber der Umwelt mechanisch geschützt und
elektrisch isoliert sind. Die Schutzfolie 1d besteht im Übrigen im
Ausführungsbeispiel
ebenfalls aus Polyimid und weist an dieser Stelle eine Dicke von
50 μm auf.
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Die
Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 weisen ebenfalls
einen mehrschichtigen Aufbau auf. Um einen derartigen Aufbau zu
erreichen, werden auf die erste Seite des mehrschichtigen Substrats 1 in
entsprechenden Bereichen zunächst
eine Basislage 2a aufgebracht. Hier besteht die Basislage 2a aus
einer Nickelschicht mit einer Dicke von etwa 5,3 μm. Auf diese
Basislage 2a wird in einem weiteren Schritt eine Kontaktlage 2b aufgebracht.
Diese Kontaktlage 2b ist dünner als die Basislage 2a.
Im vorgestellten Ausführungsbeispiel
wurde für
die Kontaktlage 2b Gold als Material gewählt, mit
einer Dicke von etwa 2,5 μm.
Sowohl die Basislage 2a, als auch die Kontaktlage 2b ist
im Ausführungsbeispiel
durch einen Galvanisierungsprozess aufgebracht. Ferner werden darüber hinaus
auch Befestigungspads 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 auf
das Substart 1 galvanisch aufgebracht, allerdings auf der
den Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 gegenüberliegenden
Seite.
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Nach
den vorgenannten Herstellungsschritten ist somit ein weitgehend
ebenes Bauteil hergestellt, wie es in den 1 und 2 dargestellt
ist. Die beiden Zuleitungen 3.2, 3.3 sind dabei
mittels Durchkontaktierungen 2.21, 2.31 mit den
Kontaktbahnen 2.2, 2.3 elektrisch verbunden, während die Zuleitung 3.1 auf
der gleichen Ebene verläuft
wie die Kontaktbahn 2.1, mit der sie elektrisch in Kontakt steht.
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In
einem darauf folgendem Herstellungsschritt wird das bereitgestellte
Substrat 1 samt den Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 und
Zuleitungen 3.1, 3.2, 3.3 um einen Dorn
gebogen. Der Biegeprozess ist so gestaltet, dass das Substrat 1 um
die Achse X gebogen wird, so dass die Kontaktbahn 2.1, 2.2, 2.3 entlang
einer Umfangslinie ausgerichtet sind. Dabei wird der Biegeradius
so gewählt,
dass dieser kleiner ist, als der spätere Durchmesser des Schleifringelements.
Durch diesen Biegeprozess wird das Substrat 1 teilweise
plastisch verform. In den Randbereichen des Substrats 1 findet
allerdings kaum eine bleibende Verformung (Krümmung) statt. Aus diesem Grund werden
nach dem Biegeprozess die Enden R des Substrats 1 abgeschnitten.
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Danach
wird das Substrat 1 erneut gebogen, so dass die Befestigungspads 5.1 und 5.3,
sowie die Befestigungspads 5.2 und 5.4 einander
gegenüberliegen.
Die jeweiligen Befestigungspads 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 werden
sodann miteinander verlötet.
Auf diese Weise wird ein gebogener hohlzylindrischer Körper 21 gebildet,
wobei die Kontaktbahn 2.1, 2.2, 2.3 entlang
einer Umfangslinie dieses Körpers 21 angeordnet
ist (3, 4). Die Befestigungspads 5.1, 5.3; 5.2, 5.4 sind
dann zur Aufnahme elastischer Rückstellkräfte des
gebogenen hohlzylindrischen Körpers 21 miteinander
verbunden.
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Damit
die Biegedehnungen im Substrat 1 und insbesondere in den
Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 nicht übermäßig groß werden
und nicht zu bleibenden Schädigungen,
wie etwa größeren Rissen
führen,
ist es wichtig, dass das Substrat 1 und die Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3 vergleichsweise
dünn sind. Als
Bezugsgröße kann
hier der Umfang C oder der Durchmesser des hohlzylindrischen Körpers 21 verwendet
werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Umfang
C etwa 38 mm. Das Substrat 1 mit seinen einzelnen Lagen
und den Haftschichten etc. weist eine Dicke D von circa 0,3 mm auf.
Das Verhältnis
von Umfang C zu Dicke D beträgt
demnach etwa 127 (C/D = 127). Ferner weist die Kontaktbahn eine
Dicke d von ungefähr
7,8 μm auf.
Die Größe C/d beträgt also
im vorgestellten Ausführungsbeispiel
etwa 4870 (C/d = 4870).
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An
den Anschlusspunkten 4.1, 4.2, 4.3 können nunmehr
entsprechende Anschlussdrähte
angelötet
werden.
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Im
nächsten
Schritt wird der Körper 21 auf ein
weiteres Bauteil, hier eine Welle 6, aufgezogen. Die Welle 6 weist,
gemäß der 4,
zwei Ausnehmungen 6.1, 6.2 auf, die derart beschaffen
sind, dass weder die Befestigungspads 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 noch die
Anschlusspunkte 4.1, 4.2, 4.3 mit ihren
Lötstellen die
Welle 6 berühren
und somit elektrisch von dieser isoliert bleiben. Durch die Schutzfolie 1d ist
im Übrigen
sichergestellt, dass die Zuleitungen 3.2, 3.3 gegenüber der
Welle 6 isoliert sind.
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In
den 6 und 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei dem ein biegeweiches elektrisch isolierendes Substrat 1' auf dem elektrisch leitende
Kontaktbahnen 2.1', 2.2', 2.3' aufgebracht sind,
zu einem hohlzylindrischen Körper 21' gebogen ist,
so dass die Kontaktbahn 2.1', 2.2', 2.3' entlang einer Umfangslinie dieses
Körpers 21' angeordnet
ist. Darüber
hinaus befinden sich auch hier auf dem Substrat 1' Zuleitungen 3.1', 3.2', 3.3', welche jeweils
zu einer der Kontaktbahnen 2.1', 2.2', 2.3' führen. Die Zuleitungen 3.1', 3.2', 3.3' dienen zur
elektrischen Verbindung der Kontaktbahnen 2.1', 2.2', 2.3' mit Anschlusspunkten 4.1'', 4.2', 4.3'.
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Das
Substrat 1' weist
ferner Befestigungspads 5.1', 5.2' auf, die zur Aufnahme elastischer Rückstellkräfte des
gebogenen hohlzylindrischen Körpers 21' miteinander
verbunden werden. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel werden hier
die Befestigungspads 5.1', 5.2' durch ein Klebeverbindung miteinander
verbunden, demnach kann hier der Ausdruck Befestigungspads 5.1', 5.2' auch als Klebefläche verstanden
werden. Der Schleifringkörper
weist also eine Stoßstelle
auf, wo die beiden Enden des Substrats 1 aneinander stoßen. Damit
die Stoßstelle
möglichst
eben ist, das heißt
damit der Außendurchmesser
des Körpers 21' überall gleich
groß ist,
sind die beiden Endbereiche L' des
Substrats 1' dünner als
dessen Mitte. Zu diesem Zweck wurden Schichten des Substrats 1' entfernt, so
dass bei Übereinanderlegen
der Befestigungspads 5.1', 5.2' sich die Dicken im Bereich des Überlappens
zur Dicke des Substrats 1' in
der Mitte ergänzen.
Der Umfang des so hergestellten Körpers 21' entspricht
dann der Länge
C' in 6.
Zur Vermeidung von Wiederholungen sei an dieser Stelle im Übrigen auf
die Offenbarung der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels hingewiesen.
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Gemäß beiden
Ausführungsbeispielen
und gemäß den 4 und 7,
dient dann der Körper 21, 21' als Rotor oder
Stator in einer Schleifringeinheit. Wenn beispielsweise der Körper 21, 21' als Rotor dient,
werden die Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3; 2.1', 2.2', 2.3' im Betrieb
der Schleifringeinheit von stehenden Bürsten berührt, so dass ein elektrischer Strom
bzw. elektrische Signale vom Stator auf den Rotor und umgekehrt übertragen
werden können. Besonders
vorteilhaft hat sich in diesem Zusammenhang die Verwendung von Gold
als Material der Kontaktschicht 2a erwiesen. Wenngleich
die Dicke D des Substrats 1 bzw. die Dicke d der Kontaktbahnen 2.1, 2.2, 2.3; 2.1', 2.2', 2.3' relativ klein
sind, so treten dennoch infolge der Biegeverformung feinste Risse in
der Kontaktschicht 2a auf. Im Betrieb der Schleifringeinheit
werden diese Risse durch die Bürsten quasi
wieder zugestrichen. Durch die vorteilhafte Materialwahl wird also
ein Selbstheilungsprozess ermöglicht,
so dass Schädigungen
in der Kontaktschicht 2a durch den Betrieb der entsprechenden Schleifringeinheit
rückgängig gemacht
werden.
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In
einer leichten Abwandlung der Erfindung wird auf die Befestigungspads 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.1', 5.2' verzichtet
und die zweite Seite des Substrats 1, 1' auf die Oberfläche der
Welle 6, 6' geklebt.
Dabei wird die Klebung derart ausgestaltet, dass sie auch zur Aufnahme
der Rückstellkräfte des
gebogenen hohlzylindrischen Körpers 21, 21' dient.