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Die
Erfindung betrifft allgemein ein elektrisches Schichtpotentiometer
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein gattungsgemäßes
elektrisches Schichtpotentiometer weist drei Anschlüsse
und einen Träger auf, der eine Widerstandsbahn trägt.
Die Widerstandsbahn ist mit einem ersten und zweiten Anschluss verbunden,
die beabstandet sind. Ferner weist ein gattungsgemäßes
Potentiometer einen Abgriff auf, der einen Schleifkontakt trägt
und mit dem dritten Anschluss verbunden ist, um so einen stetig verstellbaren
Spannungsteiler zu bilden.
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Gattungsgemäße
elektrische Schichtpotentiometer sind als einstellbare Widerstände
im Stand der Technik im Prinzip bekannt. Ihr grundsätzlicher Aufbau
und ihre Verwendungsweise ist beispielsweise in dem Lehrbuch „Ekbert
Hering, Klaus Bressler, Elektronik für Ingenieure, VDI
Verlag Düsseldorf, 1992, Kapitel 2.2.4" beschrieben.
Elektrische Potentiometer können je nach Anwendungsgebiet
eine unterschiedliche Dimensionierung, beispielsweise als SMD-Potentiometer,
und Bewegungsrichtung des Schleifkontakts, beispielsweise als Schiebe-
oder Drehpotentiometer, aufweisen.
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Bei
Schichtpotentiometern besteht die Widerstandsbahn im Allgemeinen
aus einer kontinuierlichen kohlenstoffhaltigen Schicht, die insbesondere Graphit,
Kohle, Ruß oder glasartigen Kohlenstoff beinhaltet, einer
Metallschicht, einer Cermet-Schicht (Keramik- oder Glasmasse mit
darin eingebetteten Metallteilchen) oder einem leitenden Kunststoff
(Leitpaste). Der Widerstandsbahnträger von Schichtpotentiometern
ist meist kreissegmentförmig, kann jedoch bei Schiebestellern
(„Schieberegler”) auch gestreckt sein. Es gibt
Schichtpotentiometer mit linear vom Drehwinkel abhängigem
Widerstandsverhältnis und mit logarithmischer Kennlinie.
Letztere sind besonders vorteilhaft, wenn der Einstellbereich mehrere
Größenordnungen überstreicht, zum Beispiel
bei einem Lautstärkeregler.
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Potentiometer
finden als Sensor Verwendung, wobei eine Messgröße
anhand des durch die Stellung des Schleifkontakts bestimmten Widerstandswertes
ermittelt wird. Bekannt ist auch die Verwendung als handbetätigtes
Stell- oder Regelglied, bei dem der durch die Stellung des Schleifkontakts vorgegebene
Widerstandswert eine Regelgröße, beispielsweise
die Lautstärke eines Audioverstärkers, beeinflusst.
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Abhängig
von der Einsatzumgebung, der Stärke der an die Widerstandsbahn
und dem am Schleifkontakt anliegenden Strom und der mechanischen
Beanspruchung können hohe Anforderungen an das System Schleifkontakt-Widerstandsbahn
gestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass die vergleichsweise preiswert
herzustellenden Potentiometer mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht
als Widerstandsbahn einer Verbesserung hinsichtlich Verschleißfestigkeit,
elektrischer Stabilität und Verträglichkeit gegenüber
Wärmebeaufschlagung bedürfen. Der Wechsel zu anderen,
zuvor genannten Materialien geht nachteilig zu Lasten der Herstellungskosten.
Zwar kann die Härte der kohlenstoffhaltigen Schicht je
nach eingesetztem Herstellungsverfahren und eingesetztem Pigment
in gewissem Umfang gesteigert werden, aber hierbei werden schnell
Grenzen erreicht. Auch ist eine zusätzliche Schutzbeschichtung
denkbar.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schichtpotentiometer
mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht als Widerstandsbahn bereitzustellen,
das nicht nur vergleichsweise preiswert herzustellen ist, sondern
hinsichtlich Verschleißfestigkeit, elektrischer Stabilität
und/oder Verträglichkeit gegenüber Wärmebeaufschlagung
verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch ein Schichtpotentiometer
gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche
betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Das
erfindungsgemäße, elektrische Schichtpotentiometer
weist einen Träger, beispielsweise aus Kunststoff, eine
Widerstandsbahn, die von dem Träger getragen wird, einen
ersten und zweiten Anschluss, die zueinander beabstandet mit der Widerstandsbahn
elektrisch verbunden sind, auf. Beispielsweise werden die äußersten
Enden der Widerstandsbahn mit dem ersten beziehungsweise zweiten
Anschluss kontaktiert. Ein verstellbarer Abgriff des Potentiometers
trägt einen mit der Widerstandsbahn in Berührkontakt
stehenden, entlang der Widerstandsbahn verschiebbaren Schleifkontakt
und ist mit einem dritten Anschluss verbunden, wobei ein stetig
verstellbarer Spannungsteiler gebildet wird. Die Widerstandsbahn
ist kohlenstoffhaltig. Das erfindungsgemäße Potentiometer
ist hinsichtlich seiner Dimensionierung, der Verstellrichtung und
Verstellbewegung nicht eingeschränkt.
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Das
erfindungsgemäße Potentiometer zeichnet sich dadurch
aus, dass die Widerstandsbahn Kohlenstoffnanoröhrchen beinhaltet.
Kohlenstoffnanoröhrchen (auch als ”CNT” bezeichnet)
werden als neue Materialien auf verschiedenen Feldern verwendet,
und werden zum Beispiel durch Bogenentladung, Laserverdampfung,
thermisch-chemische Dampfabscheidung (thermische CVD) oder chemische
Plasmadampfabscheidung (Plasma-CVD) hergestellt. Durch diese Verfahren
hergestellte bekannte Kohlenstoffnanoröhrchen werden allgemein
in einschichtige Kohlenstoffnanoröhrchen (einwandiges Nanoröhrchen;
SWNT), die eine einzelne Graphitschicht enthalten, und mehrschichtige
Kohlenstoffnanoröhrchen (mehrwandiges Nanoröhrchen;
MWNT), die eine Mehrzahl an Graphitschichten enthalten, eingeteilt.
Unter Kohlenstoffnanoröhrchen werden im Allgemeinen zylinderförmige
Kohlenstoffröhren mit einem Durchmesser zwischen 3 nm–150
nm, bevorzugt 3 nm und 80 nm verstanden, die Länge beträgt ein
Vielfaches, mindestens 100-faches, des Durchmessers. Diese Röhrchen
bestehen aus Lagen geordneter Kohlenstoffatome und weisen einen
in der Morphologie unterschiedlichen Kern auf. Diese Kohlenstoffnanoröhrchen
werden beispielsweise auch als „Carbon Nanotubes”, „Carbon
Fibrils” oder „Hollow Carbon Fibres” bezeichnet.
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Durch
die Einarbeitung von Kohlenstoffnanoröhrchen, beispielsweise
einwandige und mehrwandige und Mischungen daraus, in die kohlenstoffhaltige
Schicht als Widerstandsbahn und durch deren Zugfestigkeit werden
Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Widerstandsbahn
erhöht. Hierbei ist zu beachten, dass die Kohlenstoffnanoröhrchen
auch als einziges Pigment in das Lacksystem eingearbeitet werden
kann. Insbesondere kann die lokale Auflagekraft am Kontaktort zwischen Schleifkontakt
und Widerstandsbahn ohne Zunahme des Verschleißes, ohne
Beeinträchtigung der Widerstandscharakteristik, gegebenenfalls
der Linearität, erhöht werden. Dadurch werden Übergangswiderstände
und die damit verbundenen Spannungsabfälle an der Grenzfläche zwischen
Schleifkontakt und Widerstandsbahn verringert. Zudem sorgt die bessere
Wärmeleitfähigkeit für eine verbesserte
Abführung der Wärme, die beim Reibkontakt zwischen
Schleifkontakt und Widerstandsbahn auftritt. Des Weiteren wird durch
die verbesserte Wärmeleitfähigkeit die Verwendung
des Potentiometers mit hohen Strömen eröffnet.
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Zur
Steigerung der Festigkeit und zur Vermeidung einer diesbezüglichen
Anisotropie sind die Kohlenstoffnanoröhrchen bevorzugt
ungerichtet, statistisch verteilt in der Widerstandsbahn angeordnet.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass für den Fall, dass die
Kohlenstoffnanoröhrchen einen Gewichtsanteil von 0,01%
bis 50 Gewichts-% am Kohlenstoffanteil im zur Widerstandsbahn zu
verarbeitenden Stoffgemisch ausmachen, eine besonders vorteilhafte
Steigerung der Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit
erreicht wird.
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Der
Kohlenstoffanteil beinhaltet bevorzugt Graphit-, Russ- und/oder
Kohlepartikel. Dadurch kann das Schichtpotentiometer preiswert hergestellt werden.
Noch bevorzugter beinhaltet der Kohlenstoffanteil Graphit, nicht
zuletzt aufgrund der reibungsmindernden Wirkung im Bereich des Kontaktes zwischen
Schleifkontakt und Widerstandsbahn.
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In
gleicher Weise kann auf den Kohlenstoffanteil verzichtet werden
und nur über eine Pigmentierung mit CNT die Leitfähigkeit
der Widerstandsbahnen eingestellt werden. Hierbei wird eine Pigmentierung
mit 30 Gewichts-% bis 50 Gewichts-% bezogen auf die Gesamtformulierung
bevorzugt. Über unterschiedliche spezifische Leitwerte
der CNT kann zudem der optimale Pigmentgehalt eingestellt werden.
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Bevorzugt
weist die Widerstandsbahn keine dem Schleifkontakt zugewandte zusätzliche
Beschichtung, beispielsweise eine Schutzbeschichtung, auf. Durch
Entfall dieser Schutzschicht kann das Potentiometer preiswert hergestellt
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist der Verstellbereich des
Abgriffs wenigstens einen Abschnitt auf, bei dem der Schleifkontakt
nicht in Berührkontakt mit der Widerstandsbahn steht. Dies ist
beispielsweise der Fall, wenn das Potentiometer eine Schaltfunktion
an einem seiner äußersten Verstellenden aufweist.
Beim Verstellen des Abgriffs und Aufgleiten des Schleifkontakts
aus diesem Abschnitt auf die Widerstandsbahn ist die mechanische
Belastung der Widerstandsbahn besonders hoch und diese sehr verschleißanfällig.
Durch die gesteigerte mechanische Haltbarkeit der erfindungsgemäßen
Widerstandsbahnzusammensetzung kann diese Verschleißanfälligkeit
minimiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Schichtpotentiometer kann vorteilhaft
als Sensor Verwendung finden, wobei eine Messgröße
anhand des durch die Stellung des Schleifkontakts bestimmten Widerstandswertes
ermittelt wird. Vorteilhaft ist auch dessen Verwendung als handbetätigtes
Stell- oder Regelglied, bei dem der durch die Stellung des Schleifkontakts vorgegebene
Widerstandswert eine Regelgröße, beispielsweise
die Fallstandsanzeige eines Kraftfahrzeuges, beeinflusst.
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Das
erfindungsgemäße, elektrische Schichtpotentiometer
eignet sich besonders für die Verwendung im Kraftfahrzeug.
Im Kraftfahrzeug ist ein Schichtpotentiometer aufgrund der hohen
Temperaturschwankungen regelmäßig hohen thermischen Belastungen
ausgesetzt. Aufgrund seiner gesteigerten Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit
sowie aufgrund seiner Hochstromfestigkeit eignet sich das erfindungsgemäße
Schichtpotentiometer besonders für diese Anwendung.
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In
der beigefügten Figur ist eine der möglichen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen elektrischen Schichtpotentiometers
schematisch dargestellt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigte Form
eingeschränkt ist.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen
Schiebepotentiometers 7. Dieses weist einen Träger 6 auf,
auf den eine Widerstandsbahn 4 aufgebracht ist. Die Widerstandsbahn 4 ist
an ihren äußersten Enden mit dem ersten Anschluss 1 und
dem zweiten Anschluss 2 elektrisch leitend verbunden. Das
Schiebepotentiometer weist ferner einen Abgriff 8 auf,
der gegenüber der Widerstandsbahn linear stetig verschiebbar
gelagert ist, dass der am Abgriff 8 vorgesehene Schleifkontakt 5 auf
der Widerstandsbahn 4 gleitet. Der Abgriff 8 ist mit
dem dritten Anschluss 3 elektrisch verbunden. Über
die Anschlüsse 1, 2, 3 bildet
das Potentiometer 7 bei einer an den Anschlüssen 1, 2 anliegenden Spannung
einen stetig verstellbaren Spannungsteiler über den dritten
Anschluss 3. Das Material der Widerstandbahn 4 weist
einen Kohlenstoffanteil auf. Der Kohlenstoffanteil umfasst Kohlenstoffnanoröhrchen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Hering, Klaus Bressler, Elektronik für Ingenieure, VDI
Verlag Düsseldorf, 1992, Kapitel 2.2.4” [0002]