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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Folienpotentiometer und einen Tankstandsgeber.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zur Ermittlung des Füllstands in einem Tank kann ein Tankstandsgeber eingesetzt werden, bei dem mittels eines mit einem Schwimmer verbundenen Positionssensors der Füllstand des Tanks gemessen werden kann.
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Folienpotentiometer sind eine bekannte Ausführungsform von Positionssensoren, bei denen anhand eines verstellbaren Widerstands eine Position eines Kontaktelements ermittelt werden kann. Ein Folienpotentiometer ist beispielsweise in der
DE 43 35 004 C2 beschrieben.
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Ein Folienpotentiometer umfasst in der Regel eine auf einem Substrat aufgedruckte Widerstandstrecke und eine auf einem weiteren Substrat aufgedruckte Kontaktelektrode. Da wenigstens eines der beiden Substrate flexible ist, also beispielsweise eine Folie umfasst, kann zwischen der Kontaktelektrode und der Widerstandstrecke an einer bestimmten Position eine elektrische Verbindung, beispielsweise indirekt über eine weitere Kontaktelektrode bei der Widerstandsstrecke, hergestellt werden. Der Widerstand zwischen einem Ende der Widerstandsstrecke und der Kontaktposition kann ausgewertet und in die Kontaktposition umgerechnet werden.
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Bei Folienpotentiometern werden die Kontaktelektroden typischerweise durch Siebdruck auf eine Folie aufgebracht. Dabei können in Polymer eingebettete Kupfer- und Silberpartikel verwendet werden. Die Oberflächenstruktur der Siebdruckoberfläche kann die Signalqualität des Folienpotentiometers negativ beeinflussen. Außerdem ist ein dauerhafter Korrosionsschutz in der Regel nur schwer darstellbar. Ohne Korrosionsschutz kann es durch Oxidation der Kupfer- und Silberpartikel zu einer Erhöhung des Übergangwiderstands zwischen den Kontaktelektroden kommen.
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Darüber hinaus kompliziert der verhältnismäßig aufwendige Siebdruckvorgang den Herstellungsprozess derartiger Folienpotentiometer.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein robustes Folienpotentiometer bereitzustellen, das billig herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Folienpotentiometer bzw. einen Foliensensor.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Folienpotentiometer einen Widerstandsträger mit einer Widerstandstrecke und einen Kollektorträger mit einer Kollektorbahn. Der Widerstandsträger und der Kollektorträger, die im Wesentlichen flächige, dünne Körper sein können, sind einander gegenüberliegend angeordnet. Wenigstens einer der Träger ist derart flexibel ausgebildet, dass beim Zusammendrücken von Widerstandsträger und Kollektorträger ein zumindest örtlich begrenzter oder punktueller elektrischer Kontakt zwischen der Widerstandsstrecke und der Kollektorbahn erfolgt. Die Widerstandstrecke kann dazu mit einer Kontaktelektrode auf dem Widerstandsträger verbunden sein, die der Kollektorbahn gegenüberliegend angeordnet ist und die beim Zusammendrücken in diesem Bereich einen elektrischen Kontakt zur Kollektorbahn herstellt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Widerstandsträger und/oder der Kollektorträger eine flexible Leiterplatte als Substrat umfassen, also beispielsweise der flexible Träger eine flexible Leiterplatte ist.
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Im Gegensatz zu einer bedruckten Kunststofffolie, bei der die Leiterbahnen oder Elektroden aufgedruckt sind, umfasst eine flexible Leiterplatte eine Kupferfolie, die auf Kunststofffolie auflaminiert ist. Im Allgemeinen kann die Kupferfolie eine Metallfolie sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die flexible Leiterplatte eine Kunststofffolie und eine auf die Kunststofffolie laminierte Kupferfolie oder Metallfolie. Als Folienwerkstoff für die Kunststofffolie kann ein Polyimid verwendet werden, das sich durch gute mechanische und thermische Eigenschaften auszeichnet. Alternative Kunststoffe sind PET, PEI, PEN, PEEK, PBI, LCP oder Duroplaste. Der Folienwerkstoff kann auch eine Mischung von zwei oder mehrerer dieser Kunststoffe umfassen. Durch eine Faserverstärkung der Kunststofffolie bzw. der flexiblen Leiterplatte kann das Verhalten unter höheren Temperaturen verbessert werden. Unter Laminieren kann das Verkleben der Kupferfolie mit der Kunststofffolie oder das kleberlose Verbinden der Kupferfolie mit der Kunststofffolie verstanden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kontaktelektroden und/oder Leiterbahnen auf dem flexiblen Träger durch Ätzen der Kupferfolie gebildet sind. Die Kontaktelektroden und Leiterbahnen können durch Ätzen als flexible Leiterbahn aus der Kupferfolie herausgebildet werden. Typischerweise kann dies durch Bedrucken der Kupferfolie mit fotosensitiven Lack, Belichten eines Layouts und einem Anschließenden Ätzprozess geschehen. Eine laminierte Kupferfolie weist in der Regel eine höhere Steifigkeit als typische Siebdruck-Kontaktelektroden auf, daher kann es in diesem Fall vorteilhaft sein, die geätzte Kontaktelektrode segmentiert auszuführen. Durch das Ätzen sind Dimensionen von 0,1 mm für Bahnbreite und Abstand der Bahnen möglich, was zu einer ausreichenden Flexibilität der Kontaktelektrode führt.
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Insgesamt kann sich für das Folienpotentiometer also ein Aufbau aus flexiblen Leiterplatten mit geätzten Kontaktelektroden ergeben, die über das Leiterplattenlayout dargestellt sind. Die Widerstandsstrecke kann in diesem Fall durch diskrete, oberflächenmontierte Widerstände dargestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Kontaktelektroden der Kollektorbahn und/oder Kontaktelektroden auf dem Widerstandsträger mit Nickel und/oder mit Gold beschichtet. Eine beispielsweise wie oben beschrieben gebildete Kontaktelektrode aus Kupfer kann im Gegensatz zu einer gedruckten Elektrode leicht mit einer Nickel-Gold-Beschichtung versehen werden. Eine derartige Kontaktelektrode zeichnet sich durch eine gute Oberflächenqualität, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aus.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kollektorträger eine flexible Leiterplatte und/oder der Widerstandsträger eine flexible Leiterplatte ist. Für den Aufbau eines Folienpotentiometers aus zwei Kunststofffolien ergeben sich aus verschiedenen Kombinationen von Bedruckung und geätzten Kontaktelektroden. Das Folienpotentiometer kann einen geätzten Widerstandsträger und einen geätzten Kollektorträger umfassen. Das Folienpotentiometer kann einen bedruckten Widerstandsträger und einen geätzten Kollektorträger umfassen. Die Kollektorbahn kann bei diesem Aufbau auch direkt die Widerstandsstrecke kontaktieren. Auch kann das Folienpotentiometer einen geätzten Widerstandsträger und einen bedruckten Kollektorträger umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind der Widerstandsträger und der Kollektorträger bzw. deren Substrat durch Falten einer (einzigen) flexiblen Leiterplatte gebildet. Alternativ zu zwei getrennten Leiterplatten kann also eine einzige flexible Leiterplatte verwendet werden, die um Abstandshalter herum gefaltet werden kann und so eine Widerstands- und Kollektorbahn ausbildet. Bei dieser Variante kann eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Trägern, beispielsweise um einen Anschluss vom Widerstandsträger zum Kollektorträger zu führen, über eine Bahn auf der flexiblen Leiterplatte bzw. Kunststofffolie dargestellt werden.
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Bei Verwendung von zwei getrennten Leiterplatten kann eine derartige elektrische Verbindung zwischen den beiden Träger über herkömmliche Verbindungstechniken gebildet werden (beispielsweise Löten, Bonden, Schweißen, Kleben, Crimpen).
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist an der flexible Leiterplatte wenigstens eine Versteifung angebracht. Zusätzlich können Versteifungen auf der Vorder- und Rückseite der flexiblen Leiterplatten angebracht werden (beispielsweise durch Verkleben) und so beispielsweise die Integration in ein aufnehmendes Gehäuse erleichtert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Widerstandsstrecke eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter diskreter, beispielsweise aufmontierter Widerstände. Die diskreten Widerstände können beispielsweise oberflächenmontierte Widerstände umfassen. Mit anderen Worten kann die Widerstandsstrecke diskrete Widerstände umfassen, mit denen der Widerstandsträger bzw. die Widerstandsseite des Folienpotentiometers bestückt ist. Diskrete Widerstände für die Leiterplattenmontage sind für einen Toleranzbereich von 1% verfügbar. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Folienpotentiometers verbessert werden.
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Bei Folienpotentiometern werden normalerweise gedruckte oder laminierte Widerstandsstrecken eingesetzt. Damit sind normalerweise Genauigkeiten bis etwa 5% erreichbar. Für Anwendungen mit Anforderungen an die Widerstandstoleranz, beispielsweise 1% für Tankstandsmessungen, sind gedruckte oder laminierte Widerstandsstrecken in der Regel nicht verwendbar.
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Durch die Ausführung der Widerstandsstrecke als Reihenschaltung von diskreten Widerständen ist der Aufbau eines präzisen Folienpotentiometers möglich. Die diskreten Widerstände können dabei direkt als oberflächenmontierte Bauelemente (SMD, surface mounted device) auf den Widerstandsträger und insbesondere auf eine flexible Leiterplatte aufgebracht werden. Dafür können Kontakt-Pads im Leiterplattenlayout herausgebildet werden, auf die die Widerstände gelötet und/oder geklebt werden können.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Widerstandstrecke eine gedruckte oder laminierte Widerstandsbahn umfassen. Die Widerstandsbahn kann also durch Drucken (beispielsweise Siebdruck) oder durch Laminieren hergestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Widerstandsträger eine segmentierte Elektrode mit Elektrodensegmenten, die mit den diskreten Widerständen elektrisch verbunden sind. Auf diese Weise kann die Flexibilität eines flexiblen Widerstandträgers erhöht werden. Genauso kann die Kollektorbahn eine segmentierte Elektrode umfassen, um die Flexibilität des Kollektorträgers zu erhöhen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Elektrodensegmente auf dem Widerstandsträger, die mit der Widerstandsstrecke verbunden sind, und Elektrodensegmente der Kollektorbahn in einem Winkel ungleich 0° zueinander angeordnet sind. Bei segmentierten Bahnen auf beiden Seiten kann es vorteilhaft sein, die Segmente auf beiden Seiten verdreht um eine Winkel >0° anzuordnen, um beim Fügen der beiden Seiten eine spätere Kontaktierung sicherzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Widerstandsträger und dem Kollektorträger ein Abstandshalter angeordnet, der die Widerstandsstrecke bzw. die zugehörigen Elektrode und die Kollektorbahn voneinander trennt. Aus Platzgründen und zum besseren Schutz der Widerstände können diskrete Widerstände bezüglich der Kollektorbahn und der Elektrode auf dem Widerstandsträger außerhalb des Abstandshalters angeordnet sein.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Tankstandsgeber, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, der ein Folienpotentiometer so wie es obenstehend und untenstehend beschrieben ist umfasst. Das Folienpotentiometer kann hierzu in ein Gehäuse integriert werden, das beispielsweise an einen Tank angebracht werden kann.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Folienpotentiometer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Widerstandsträger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Kollektorträger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Widerstandsträger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Folienpotentiometer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Folienpotentiometer gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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7 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Leiterbahn gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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8 zeigt schematisch einen Tankstandsgeber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Die 1 zeigt schematisch ein Folienpotentiometer 10 mit einem Kollektorträger 12 und einem Widerstandsträger 14, die beide flächig gegenüberliegend angeordnet sind. Der Kollektorträger 12 und der Widerstandsträger 14 sind mithilfe von flexiblen Leiterplatten 12, 14 als Substrat ausgebildet.
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Der Kollektorträger 12 umfasst eine Kunststofffolie 16 auf der eine Kontaktelektrode 18 angebracht ist. Beispielsweise ist die Kontaktelektrode 18 eine Leiterbahn, die durch Ätzen einer auf die Kunststofffolie 16 auflaminierter Kupferfolie erzeugt wurde.
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Der Widerstandsträger 14 umfasst eine Kunststofffolie 20 auf der eine weitere Kontaktelektrode 22 bzw. Kontaktbahn 22 angebracht ist, die auf die gleiche Weise wie die Kontaktelektrode 18 hergestellt sein kann. Der Widerstandsträger 14 umfasst darüber hinaus eine Widerstandsstrecke 24, die mit der Kontaktbahn 22 elektrisch verbunden ist. Die Widerstandsstrecke 24 kann als Widerstandsbahn auf den Widerstandsträger 14 aufgebracht sein (beispielsweise durch Laminieren oder Drucken) und/oder eine Mehrzahl von aufmontierten, diskreten Widerstandselementen umfassen.
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Ein Abstandshalter 26, der zwischen dem Kollektorträger 12 und dem Widerstandsträger 14 angeordnet ist, hält die beiden Träger 12, 14 auf Abstand, wenn keine äußere Kraft auf sie wirkt. Wird eine Betätigungskraft 28 auf das Folienpotentiometer 10 im Bereich der Kontaktelektroden 18, 22 ausgeübt, können die Elektroden 18, 22 aufgrund der Flexibilität wenigstens einer der beiden Träger 12, 14 dort elektrisch kontaktieren, wo die Betätigungskraft 28 ausgeübt wurde. Der Abstandshalter 26 kann auch als Versteifung dienen.
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Es ist möglich, dass entweder der Kollektorträger 12 oder der Widerstandsträger 14 eine im Verhältnis zu einer Kunststofffolie 16, 20 starre Platine umfassen, auf der die Leiterbahnen, Kontaktelektroden und Widerstände angebracht oder aufgebracht sind.
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Die 2 zeigt schematisch einen Widerstandsträger 14 in Draufsicht. Auf den Widerstandsträger 14 ist eine segmentierte Kontaktbahn 22 aufgebracht, die parallel zueinander angeordnete, elektrisch voneinander getrennte Segmente 30 umfasst. Die Segmente 30 sind über eine Widerstandsbahn 32 miteinander verbunden, die im wesentlich orthogonal zu den Segmenten 30 verläuft. Die Widerstandsbahn 32 wurde beispielsweise auf die Folie 20 über die Segmente 30 gedruckt oder laminiert.
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Die 3 zeigt schematisch einen Kollektorträger 12 mit einer Kontaktelektrode 18, die eine segmentierten Kollektorbahn 18 umfasst, die beispielsweise durch Ätzen aus einer Kupferschicht auf einer flexiblen Leiterplatte, wie etwa eine Kunststofffolie 16, hergestellt wurde. Die Kollektorbahn 18 umfasst längliche, im Wesentlichen parallele Segmente 32, die, wenn der Kollektorträger 12 auf dem Widerstandsträger 14 angeordnet ist, im Wesentlichen orthogonal zu den Segmenten 30 verlaufen.
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Die 4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Widerstandsträgers 14a, der eine segmentierte Kontaktbahn 22 als Kontaktelektrode 22 mit einer Mehrzahl von länglichen, im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Segmenten 30 umfasst.
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Jedes der Segmente 30 ist über eine Leiterbahn 34 mit einer Leiterbahn 36 elektrisch verbunden, die im Wesentlichen orthogonal zu den Segmente 30 verläuft. Die Leiterbahnen 34 führen dabei von den Segmenten 30, die im Inneren des Abstandshalters 26 angeordnet sind, aus dem Abstandshalter 26 heraus.
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Die Widerstandsstrecke 24 des Widerstandsträgers 14a umfasst eine Mehrzahl von diskreten Widerständen 38, die mittels Abschnitten der Leiterbahn 36 in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände 38 sind in einer Reihe außerhalb des Abstandshalters 26 angebracht und können standardisierte, oberflächenmontierte Bauelemente 38 sein. Zwischen zwei benachbarten Widerständen 38 ist die Leiterbahn 36 über die Leiterbahnen 34 mit je einem der Segmente 30 der Kontaktelektrode 22 verbunden.
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Die Leiterbahnen 34, 36, die Kontaktelektrode 22 sowie die Segmente 30 können genauso wie die entsprechenden Komponenten der Träger 12, 14 gefertigt sein.
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Die 5 zeigt schematisch ein Folienpotentiometer 10a mit den beiden Trägern 12, 14a von denen wenigstens einer eine flexible Leiterplatte umfasst. Die beiden Träger 12, 14a können getrennt voneinander gefertigt und anschließend über den Abstandshalter 26 miteinander verbunden werden.
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Die 6 zeigt schematisch ein Folienpotentiometer 10b aus einer gefalteten flexiblen Leiterplatte 40. Die flexible Leiterplatte 40 umfasst die Abschnitte 16 und 20, mit denen die Träger 12, 14a, wie weiter oben beschrieben gefertigt werden können, die aber dabei über einen Falzabschnitt 42 miteinander verbunden sind. Nach dem Fertigen werden die beiden Träger 12, 14a über dem Abstandshalter 26 zusammengefaltet, wobei der Falzabschnitt geknickt bzw. gefaltet wird.
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Die 7 zeigt schematisch einen Leiterbahnaufbau, beispielsweise für die Kontaktelektroden 18, 22 oder die Segmente 30, 32, insbesondere die Kontaktelektrode 18 auf der Kollektorfolie 16. Auf der Kunststofffolie 16, 20 ist eine Kupferschicht 44 angebracht, die durch auflaminieren einer Kupferfolie 44 und anschließendes Ätzen erzeugt wurde. Auf der Kupferschicht 44 befinden sich eine Nickelschicht 46 und darüber eine Goldschicht 48, die beispielsweise durch Galvanisieren der Kupferschicht bzw. der Nickelschicht aufgebracht werden können.
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8 zeigt schematisch einen Tankstandsgeber 50 mit einem Folienpotentiometer 10, 10a, 10b, das in einem Gehäuse 52 an einem Tank 54 angebracht ist. Die Bewegung eines Schwimmers 58 im Tank 54 wird auf ein Kontaktelement 56 übertragen, das die Betätigungskraft 28 auf das Folienpotentiometer 10 ausübt. Aus dem Widerstand, der zwischen einem Ende der Widerstandstrecke 24 und dem durch den Kontaktelement erzeugten Kontaktort im Folienpotentiometer 10, 10a, 10b erzeugt wird, kann eine Auswerteeinheit 60 die Stellung des Kontaktelements 56 und den Füllstand im Tank 54 bestimmen.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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