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Die Erfindung betrifft eine Wickelfederkassette mit einem feststehenden zylindrischen Statorgehäuseteil, und einem koaxial zu diesem angeordneten, um seine Längsachse drehbaren zylindrischen Rotorgehäuseteil, wobei ein durch die äußere Mantelfläche des innen liegenden Gehäuseteils und die innere Mantelfläche des außen liegenden Gehäuseteils begrenzter Wickelspalt gebildet ist, in dem zumindest ein zumindest einen elektrischen Leiter aufweisendes flexibles Flachkabel sowie zumindest ein der mechanischen Stabilisierung des Flachkabels dienendes flexibles Flachband dergestalt angeordnet sind, dass deren jeweils erste Enden am Statorgehäuseteil und deren jeweils zweite Enden am Rotorgehäuseteil befestigt sind, und dass sie mit einem jeweils ersten Abschnitt ihrer Länge an der äußeren Mantelfläche des innen liegenden Gehäuseteils und mit einem jeweils zweiten Abschnitt ihrer Länge an der inneren Mantelfläche des außen liegenden Gehäuseteils anliegend in entgegen gesetzter Richtung gewickelt sind, so dass zwischen den jeweils beiden Abschnitten des Flachkabels und des Flachbandes jeweils ein die Wickelrichtung umkehrender U-förmiger Wendeabschnitt gebildet ist
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Derartige Wickelfederkassetten sind z. B. dafür vorgesehen, um in Kraftfahrzeugen Energie und/oder Daten zwischen drehbeweglich im Lenkrad gehaltenen und ortsfest im Bereich der Lenksäule angeordneten Anschlußstellen sicher übertragen zu können. Über die Anschlußstellen einer solchen Vorrichtung kann z. B. ein Airbagsystem, eine Lenkradheizung, eine Schalteinrichtung usw. mit der bzw. mit den zu seiner Funktion notwendigen Spannung und Signalen versorgt werden.
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Durch die
EP 0 556 779 B1 ist eine solche Wickelfederkassette bekannt geworden, bei der mehrere flexible Flachkabel innerhalb eines ringförmigen Hohlraumes eines Gehäuses aufgenommen sind. Das jeweils eine Ende der flexiblen Flachkabel ist am Statorteil und das jeweils andere Ende der flexiblen Flachkabel an einem gegenüber dem Statorteil drehbaren Rotorteil des Gehäuses festgelegt. Die flexiblen Flachkabel sind jeweils mit ihren beiden Breitseiten über jeweils einen U-förmigen Wendeabschnitt mit zumindest einer Windung auf die axial ausgerichtete Innenwandung und beabstandet dazu, umgekehrt mit zumindest einer weiteren Windung auf die axial ausgerichtete Außenwandung des Gehäuses aufwickelbar. Soweit zur Bereitstellung der erforderlichen elektrischen Verbindungen eine Mehrzahl von Flachkabeln erforderlich ist, wird diese Mehrzahl von Flachkabeln derart angeordnet, dass sich ihre jeweiligen Endabschnitte auf der äußere Mantelfläche des innen liegenden Gehäuseteils und auf der innere Mantelfläche des außen liegenden Gehäuseteils überlagern, und die U-förmigen Wendeabschnitte eines jeden der Flachkabels eine elastische Druckkraft erzeugt, die eine sichere Anlage der innen oder außen aufgewickelten Bereiche der anderen Flachkabel an den Gehäusemantelflächen bewirkt. Sofern zur Bereitstellung der erforderlichen elektrischen Verbindungen eine geringere Anzahl an Flachkabeln benötigt wird, als zur Sicherstellung einer einwandfreien mechanischen Funktion der Wickelfederkassette erforderlich sind, werden an Stelle weiterer Flachkabel so genannte Dummy-Kabel eingesetzt. Bei diesen handelt es sich um elastische Flachbänder, die die gleichwertige mechanische Eigenschaften besitzen wie die Flachkabel, jedoch anders als dies keine elektrischen Leiterbahnen umfassen. Als Dummy Kabel werden standardmäßig Kunststoffbänder z. B. etwa aus PET eingesetzt. Im praktischen Einsatz hat sich eine Verwendung von mindestens vier Kabeln bzw. Dummy-Kabeln als vorteilhaft erwiesen, um eine einwandfreie mechanische Funktion der Wickelfederkassette zu gewährleisten. Insbesondere bei nur wenigen zu übertragenden elektrischen Potentialen sind daher durch den Einsatz der Dummy-Kabel erhebliche Kosteneinsparungen zu realisieren, indem beispielsweise nur ein Flachkabel drei deutlich preiswertere Dummy-Kabel eingesetzt werden.
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Durch den zunehmenden Umfang elektronischer Funktionen im Lenkrad entsteht der Bedarf einer schnellen und störsicheren Datenübertragung über eine Wickelfederkassette. Dieses ist jedoch aufgrund der Leitungsgeometrien der aktuell verwendeten Flachkabel nur eingeschränkt möglich. Für eine schnelle Datenübertragung ist ein in seiner Impedanz an die Impedanz der verwendeten Zuleitungen angepasstes Leitungssystem notwendig. Insbesondere zur Übertragung schneller Signale, d. h. mit Datenraten zwischen 100 kBit/s und 10 MBit/s, z. B. etwa auf einem CAN-Bus, ist es wünschenswert, die Leitungsimpedanz der Wickelfeder der Leitungsimpedanz einer üblicherweise verwendeten verdrillten Leitung anzupassen. Die Impedanz einer solchen Leitung beträgt im Allgemeinen etwa 120 Ohm. Bei den aktuell eingesetzten Flachkabeln hat die Leitungsimpedanz eines aus zwei parallel auf einem Flachkabel angeordneten Leiterbahnen gebildeten Leitungssystems aufgrund der Geometrie einen Wert von mehr als 200 Ohm und ist damit im Vergleich relativ hoch.
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Die Wickelfederkassette gemäß der vorliegenden Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, ein für eine schnelle Datenübertragung geeignetes Leitungssystem mit einer deutlich geringeren Impedanz verfügbar zu machen, ohne dazu höhere Herstellkosten zu benötigen. Die erfindungsgemäße Wickelfederkassette kann ganz im Gegenteil sogar noch preiswerter werden als vorbekannte Wickelfederkassetten.
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Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass das Flachband als dünnes Stahlband ausgeführt ist und in zumindest abschnittsweise paralleler Erstreckung zu dem Flachkabel liegend mit dem zumindest einen elektrischen Leiter desselben zur Bildung eines Wellenleiters zur Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale kooperiert.
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Als hochfrequente elektrische Signale sollen dabei Signale verstanden werden in einem Frequenzbereich, in dem Signale zur Übertragung der zuvor genannten Datenraten liegen, also von etwa 50 kHz aufwärts bis deutlich in den MHz-Bereich hinein.
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Durch die Doppelfunktion des erfindungsgemäß eingesetzten Stahlbandes, welches sowohl als mechanisches Stabilisierungselement im Sinne eines Dummy-Kabels als auch als elektrischer Bestandteil eines Wellenleiters zur Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale wirkt, sind erhebliche Kosteneinsparungen gegenüber alternativen Konfigurationen möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei als dünne Stahlbänder ausgeführte Flachbänder in paralleler Erstreckung auf beiden Seiten des Flachkabels liegend angeordnet sind.
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Eine erfindungsgemäße Wickelfederkassette mit einem Wellenleiter zur Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale, der neben einer geringen Impedanz auch eine besonders geringe Dämpfung aufweist wird dadurch erhalten, dass das flexible Flachkabel zwei parallele elektrische Leiter aufweist, die gemeinsam mit dem/den als dünne Stahlband/-bänder ausgeführten Flachband/-bändern den Wellenleiter ausbilden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen
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1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wickelfederkassette im Querschnitt
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2 Querschnitte durch verschiedene Wellenleitergeometrien mit Flachkabeln in einer Wickelfederkassette:
- a) nach dem Stand der Technik
- b) bis e) in verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungen
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Wie aus 1 hervorgeht, besteht eine erfindungsgemäße Wickelfederkassette im wesentlichen aus einem ein Statorgehäuseteil 1 und ein Rotorgehäuseteil 2 aufweisenden Gehäuse und innerhalb eines einen Wickelspalt 5 bildenden ringförmigen Hohlraumes des Gehäuses aufgenommenen flexiblen Flachkabeln 6. In der hier gezeigten Ausführungsform ist nur ein einziges flexible Flachkabel 6 vorhanden, welches mehrere elektrische Leiter 6a, 6b aufweist. Das elektrische Flachkabel 6 ist in der Zeichnung gestrichelt dargestellt.
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Das in der dargestellten Ausführung außen liegende Rotorgehäuseteil 2 ist um seine Längsachse und somit um das innen liegend, koaxial zu diesem angeordnete Statorgehäuseteil 1 drehbar. Durch die äußere Mantelfläche 3 des Statorgehäuseteils 1 und die innere Mantelfläche 4 des Rotorgehäuseteils 2 wird ein Wickelspalt 5 gebildet, in dem das flexible Flachkabel 6 aufgenommen ist. Das flexible Flachkabel 6 ist mit seinem ersten Ende am Statorgehäuseteil 1 und mit seinem zweiten Ende am Rotorgehäuseteil 2 befestigt und so in dem Wickelspalt 5 angeordnet, dass es mit einem an seinem ersten Ende angrenzenden Abschnitt seiner Länge an der äußeren Mantelfläche 3 des Statorgehäuseteils 1 und mit einem an seinem zweiten Ende angrenzenden Abschnitt seiner Länge an der inneren Mantelfläche 4 des Rotorgehäuseteils 2 anliegend in entgegen gesetzter Richtung gewickelt ist. Zwischen diesen beiden Abschnitten des Flachkabels 6 befindet sich ein die Wickelrichtung desselben umkehrender U-förmiger Wendeabschnitt 6'. Bei einer Drehung des Rotorgehäuseteils 2 in der einen oder anderen Richtung bewegt sich dieser U-förmige Wendeabschnitt 6' entlang des Umfangs des Wickelspaltes 5, und das Flachkabel 6 wird an seiner einen Seite ab- und an der anderen aufgewickelt. Zur mechanischen Stabilisierung des Flachkabels 6 und dabei insbesondere zur Sicherstellung der festen Anlage der Endabschnitte desselben an den Mantelflächen 3, 4 sind in dem Wickelspalt 5 drei elastische Flachbänder 7 in der gleichen Weise wie das Flachkabel 6 aufgenommen, und zwar so dass, die vier U-förmige Wendeabschnitt 6', 7' des Flachkabels 6 und der drei Flachbänder 7 im gleichen Winkelabstand von etwa 90° zueinander angeordnet sind. Die Flachbänder 7 sind dabei durch dünne Stahlbänder gebildet, die nicht nur dank ihrer hervorragenden elastischen Materialeigenschaften ausgezeichnet zur Abstützung des Flachkabels 6 in dem Wickelspalt 5 geeignet sind, sondern auch wegen der zur Erreichung der benötigten Steifigkeit lediglich sehr geringen, erforderlichen Dicke aufgrund des damit verbundenen geringen Materialeinsatzes ausgesprochen kostengünstig herzustellen sind.
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Die Flachbänder 7 aus Stahl haben aber in der erfindungsgemäßen Wickelfederkassette nicht nur die beschriebene mechanische Funktion sondern erfüllen weiterhin auch eine elektrische Funktion, indem sie vermöge ihrer elektrischen Leitfähigkeit mit dem Flachkabel 6, in zumindest abschnittsweise paralleler Erstreckung zu diesem liegend, zur Bildung eines Wellenleiters zur Übertragung hochfrequenter elektrischer Signale kooperieren, dessen Leitungsimpedanz derjenigen einer üblicherweise zu diesem Zweck verwendeten verdrillten Leitung entspricht, also etwa 120 Ohm beträgt.
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In 2a) ist ein Querschnitt durch eine Wellenleitergeometrie dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik zur Verwendung in einer Wickelfederkassette bekannt ist. Diese besteht aus zwei parallel angeordneten Leiterbahnen 6a, 6b, die in einem Flachkabel von einem Mantel aus einem Isolationsmaterial umgeben sind. Die Leitungsimpedanz einer solchen Wellenleitergeometrie ist für Signale mit steigender Frequenz im wesentlichen bestimmt durch die Kapazität, die die beiden Leiterbahnen 6a, 6b miteinander bilden, und zwar ist sie umgekehrt proportional zur Wurzel aus dem Kapazitätsbelag. Mit einem Wert von mehr als 200 Ohm für die hier gezeigte Geometrie ist sie relativ hoch im Vergleich zu den genannten 120 Ohm der verdrillten Leitung.
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In 2b) ist ein Querschnitt durch die einfachste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wellenleitergeometrie dargestellt. Sie besteht aus einem Flachkabel mit einer Leiterbahn und einem parallel zu diesem angeordneten stählernen Flachband, das in diesem Falle die Rolle des zweiten Leiters übernimmt. Im Vergleich zu der in 2a gezeigten Geometrie hat diese Anordnung der beiden Leiter einen höheren Kapazitätswert. Da die Leitungsimpedanz einer Wellenleitergeometrie der hier behandelten Art, wie bereits zuvor erwähnt, umgekehrt proportional zur Wurzel aus dem Kapazitätsbelag ist, bedeutet dies eine höhere Leitungsimpedanz für hochfrequente Signale.
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Weiter verbessern lassen sich die Wellenleitereigenschaften der in 2b gezeigten Geometrie durch die Anordnung eines zweiten stählernen Flachbandes 7 auf der anderen Seite des Flachkabels 6, wie in 2c) dargestellt. Die beiden stählernen Flachbänder 7 erfüllen dabei gemeinsam die Funktion des zweiten Leiters der Wellenleitergeometrie, wobei eine weitere Erhöhung des Kapazitätsbelags durch die hier bereits ähnlich der Konfiguration einer Koaxialleitung gestaltete Leiteranordnung erreicht wird.
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In 2d) und 2e) sind zwei weitere Ausführungen erfindungsgemäßer Wellenleitergeometrien gezeigt, die gewissermaßen eine Kombination der Konfigurationen aus 2a) also dem aus zwei parallelen Leiterbahnen 6a, 6b bestehenden Wellenleiter, wie er bereits vorbekannt war, mit den Konfigurationen der 2b) und 2c), die einen bzw. zwei parallel zu dem Flachkabel 6 angeordnete stählerne Flachbänder 7 aufweisen, darstellen. Die stählernen Flachbänder 7 übernehmen in diesen Ausführungen nicht wie in 2b) und 2c) die Funktion des zweiten elektrischen Leiters der Wellenleitergeometrie, sondern dienen der Erweiterung des Wellenleiters um eine Komponente zur Erhöhung des Kapazitätsbelags der die beiden parallelen Leiterbahnen 6a, 6b umfassenden Grundkonfiguration. Die Erhöhung des Kapazitätsbelags erfolgt dabei dadurch, dass die stählernen Flachbänder 7 zusätzlich zu der relativ geringen Kapazität, die die beiden Leiterbahnen 6a, 6b direkt miteinander bilden, weitere parallel dazu geschaltete Kapazitäten ausbilden.
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Die in 2d) und 2e) gezeigten Ausführungen haben gegenüber den Konfigurationen der 2b) und 2c) den Vorteil, dass keine Stromleitung über die Stahlbänder erforderlich ist, und somit die durch die ohmschen Verluste bedingte Dämpfung der Wellenleiter wegen des geringeren spezifischen Widerstands der Kupferleiter geringer ausfällt.
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Durch einen Vergleich der im Bezug auf die Anordnung der Flachkabel und der Flachbänder in einer Wickelfederkassette gegebenen Verhältnisse, wie sie 1 zu entnehmen sind, mit den verschiedenen in 2 gezeigten Wellenleitergeometrien wird deutlich, dass nicht keine der erfindungsgemäßen Geometrien 2b) bis 2e) über die gesamte Länge eines in der Wickelfederkassette vorhandenen Flachkabels 6 durchgängig realisiert werden kann. Insbesondere an dem die Wickelrichtung des Flachkabels 6 umkehrenden U-förmigen Wendeabschnitt wird zur Erfüllung der mechanischen Funktion der Flachbänder 7 ein größerer Abstand derselben zu dem Flachkabel 6 und somit eine Verringerung des Kapazitätsbelags an dieser Stelle in Kauf genommen. Dadurch entsteht eine Störstelle auf dem Wellenleiter mit einer höheren Impedanz. Die zweifellos negative Auswirkung einer solchen Störstelle fällt jedoch gegenüber dem Vorteil, der durch die über den größten Teil der Länge des Wellenleiters geringe und insbesondere an die Zuleitung angepasste Impedanz erreicht wird, nicht stark ins Gewicht.
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Durch eine elektrische Verbindung der stählernen Flachbänder 7 mit dem Massepotential des Fahrzeugs kann zusätzlich eine Abschirmung des Wellenleiters gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung erreicht werden, was die Sicherheit einer Datenübertragung zwischen Fahrzeug und Lenkrad deutlich erhöht. Darüber hinaus kann die elektrische Verbindung der stählernen Flachbänder 7 mit dem Massepotential aber auch zur Leitung eines Gleichstroms genutzt werden, was eine weitere Steigerung der Funktionalität bedeutet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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