Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Systeme zur elektrischen
Übertragung zwischen zwei gegeneinander beweglichen
Einheiten. Diese werden beispielsweise als lineare
Schleifbahnen in linear beweglichen Einheiten, wie Krananlagen
oder als Schleifring zur Drehübertragung beispielsweise
in Computertomografen eingesetzt.
Stand der Technik
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Bei Schleifringen bzw. Schleifbahnen sind
kontaktierende sowie kontaktlose Übertragungstechniken bekannt. Da
das technische Funktionsprinzip zur Drehübertragung
sowie von linearen Schleifbahnen zur Linearen bzw.
Kurvenförmigen Übertragung dasselbe ist, wird in den
folgenden Ausführungen nicht weiter zwischen diesen
unterschieden. Die Begriffe werden synonym verwendet.
Die Funktionsweise einer kontaktierenden Übertragung
wird nachfolgend am Beispiel eines Schleifrings kurz
erläutert. Kreisförmige bzw. ringförmige Schleifbahnen
sind einer ersten Einheit angebracht. Gegenüber dieser
bewegt sich eine zweite Einheit, mit einem
Schleifkontakt, welcher auf der Schleifbahn aufliegt und während
der Bewegung mit dieser in schleifenden Kontakt steht.
Über diesen galvanischen Kontakt kann nun elektrischer
Strom übertragen werden.
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Ebenso ist es möglich, den Schleifkontakt in geringem
Abstand über der Schleifbahn zu bewegen, so dass
ausschließlich eine kapazitive Kopplung zwischen der
Schleifbahn und den Schleifkontakt besteht. Über diese
kapazitive Kopplung können hochfrequente Signale bzw.
hochfrequente Signalanteile problemlos übertragen
werden.
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Für den mechanischen Aufbau derartiger Schleifringe
sind verschiedene Technologien bekannt. So können
beispielsweise massive Schleifbahnen, welche aus
zylindrischen Metallkörpern herausgedreht wurden zusammen
mit Isolierkörpern zu einem Schleifring mit mehreren
Übertragungswegen gestapelt werden. Derartige
Schleifringe zeichnen sich durch hohe Lebensdauer aus.
Allerdings sind die Herstellungskosten relativ hoch.
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Günstiger in der Herstellung sind meist Schleifringe,
welche auf Leiterplatten in Form gedruckter Schaltungen
realisiert sind. Ein Beispiel eines solchen
Schleifrings ist in der DE 196 01 965 A1 offenbart. Hier ist
die Schleifbahn eine kreisförmige Leiterbahn auf der
Leiterplatte. Allerdings sind hier in der Herstellung
gegenüber der herkömmlichen Leiterplattentechnik eine
Reihe spezieller zusätzlicher Verfahrensschritte
notwendig. So wird die Leiterbahn mit einer
Oberflächenbeschichtung aus Silber oder Gold versehen. Derartige
Schleifringe sind preisgünstiger als die zuvor
beschriebenen massiven Schleifringe herzustellen, weisen
aber eine geringere Lebensdauer auf. Ein in
Leiterplattentechnik hergestellter Schleifring ist beispielsweise
in der DE 196 01 965A1 offenbart.
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Einfacher zu fertigen sind Schleifringe in der
sogenannten Stapeltechnik, wie beispielsweise in der DE 298 00 281 U1
offenbart. Diese bestehend aus abwechselnd
gestapelten Lagen aus elektrisch leitfähigem Material
und Isoliermaterial.
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Derartige Schleifringtechnologien sind gut geeignet zur
Übertragung von Gleichstrom bzw. Wechselstrom niedriger
Frequenz. Bei höheren Frequenzen ist ein definierter
Wellenwiderstand sowie eine definierte Schirmung
erwünscht. Der definierte Wellenwiderstand ist notwendig,
um eine reflexionsfreie Übertragung zu ermöglichen.
Ändert sich der Wellenwiderstand entlang der
Schleifrings bzw. entspricht er nicht den Wellenwiderstand der
angeschlossenen Leitungen, so können Reflexionen
Auftreten, welche zu Störungen bzw. Verzerrungen des
übertragen Signals führen.
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Weiterhin ist gerade bei höheren Frequenzen eine
definierte Schirmung erwünscht, um einerseits die geltenden
EMV-Normen einzuhalten und andererseits das
übersprechen zu benachbarten Leitungen zu reduzieren. So ist
das Überkoppeln bzw. Übersprechen zwischen benachbarten
Schleifringbahnen eines der störendsten Probleme bei
der Übertragung hochfrequenter Signale. Zur Reduzierung
des übersprechen ist beispielsweise eine auf
Symmetrierübertragern basierende Lösung aus der DE 196 27 628 A1
bekannt. Diese hat jedoch den Nachteil, dass die
entsprechenden Symmetrierübertrager an die jeweiligen
Impedanz- und Frequenzverhältnisse angepaßt werden
müssen. Zudem reduziert die Spannungsfestigkeit des
Übertragers die Spannungsfestigkeit des gesamten
Systems. Ebenso limitiert dieser Übertrager i. d. R. die
Strombelastbarkeit.
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Ein anderer Weg wird in der US 5,530,425 offenbart.
Darin werden die Schleifbahnen in einem metallisierten
Graben untergebracht. Diese Lösung ist sehr aufwendig
und platzintensiv. So muss bei der Fertigung in einem
massiven Kunststoffträger der Graben eingedreht und
später durch auskleben mit einer Metallfolie bzw.
galvanisches metallisierten mit einer leitfähigen
Beschichtung auf der Innenseite versehen werden.
Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schleifringe
bzw. Schleifbahnen derart zu verbessern, dass sie
gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte
Übertragung hochfrequenter Signale ermöglichen, ohne die
Übertragungseigenschaften (Spannungsfestigkeit,
Strombelastbarkeit, Lebensdauer etc.) des Schleifrings bzw.
der Schleifbahn negativ zu beeinträchtigen. Weiterhin
soll eine kostengünstige Herstellung möglich sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung
elektrischer Energie zwischen wenigstens zwei gegeneinander
beweglichen Einheiten umfasst eine entlang der Bahn der
Bewegung angeordnete Leiterbahn aus elektrisch
leitfähigen Material sowie einen entlang dieser Leiterbahn
beweglichen Abgriff zur ein- bzw. Auskopplung
elektrischer Signale. Weiterhin ist zur Schirmung zwischen
benachbarten Bahnen mindestens eine Schirmfläche aus
elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, welche die
Leiterbahnen in ihrer Höhe überragt und mit mindestens
einem Schirm einer der zu- bzw. abführenden Leitungen
verbunden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung weist die Schirmfläche eine Masseverbindung
auf. Alternativ hierzu ist auch die Verbindung mit
einem Schirm eines Kabels, welches Wahlweise mit der
Leiterbahn bzw. dem Abgriff verbunden ist, möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung sind auf beiden Seiten einer Leiterbahn
Schirmflächen angeordnet. Durch diese Anordnung lässt
sich eine gute Schirmung der Leiterbahn erreichen.
Diese Anordnung hat gegenüber dem zuvor beschriebenen
metallisierten Graben den Vorteil, dass sie wesentlich
einfacher und kostengünstiger herstellbar ist. Versuche
haben gezeigt, dass mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ähnlich gute Schirmwerte, wie mit dem
metallisierten Graben erreichbar sind. Dies liegt daran, dass
Schleifringe bzw. Schleifbahnen meist auf einem
metallischen Träger aufgebracht sind. Allerdings besteht
eine elektrischer Isolation zwischen den Schleifbahnen
und dem metallischen Träger des Schleifrings. Durch
diese metallische Rückseite wird, auch wenn sie nicht
unmittelbar mit den Schirmflächen verbunden ist, eine
gute Schirmwirkung erreicht.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
eine leitfähige, vorzugsweise metallisierte Rückwand
(6) vorgesehen ist, welche an wenigstens einem,
vorzugsweise aber an mehreren Punkten mit einer oder
mehreren Schirmflächen verbunden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist zur Übertragung differentieller Signale
ein Paar aus Leiterbahnen vorgesehen, welches
symmetrisch auf beiden Seiten Schirmflächen aufweist. Dabei
ist vorzugsweise die Anordnung der beiden Leiterbahnen
derart, dass sie gegeneinander die gewünschte Impedanz
bzw. Kapazität aufweisen und zu den Schirmflächen hin
eine höhere Impedanz bzw. Kapazität besitzen. Die
Impedanz der Leiter ist hier im wesentlichen durch die
Kapazität der Leiter zueinander gegeben, da die
Induktivität nahezu konstant ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung sind zwischen benachbarten Leiterbahnen
mehrere Schirmflächen vorgesehen. Diese Schirmflächen
sind dann den jeweiligen am nächsten liegenden
Leiterbahnen zugeordnet. Eine solche Anordnung ist
insbesondere dann sinnvoll, wenn auch die den Leiterbahnen
zugeordneten Schirme voneinander getrennt sind. Dies
ist insbesondere notwendig bei einer Zuführung durch
unterschiedliche Koaxialkabel, bei denen die Schirme
auch nicht verbunden sind.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die
Schirmfläche in einer Nut eines Schleifbahnträgers
aufgenommen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist zur Verringerung der Kapazität zwischen
Leiterbahnen eine zusätzliche Nut (8) in den
Leiterbahnträger (7) eingebracht.
Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des
allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
exemplarisch beschrieben.
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Fig. 1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine
erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit mehrfacher
Kontaktierung der Leiterbahn.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit einem zusätzlichen
Abgriff zur Schirmfläche.
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Fig. 4 zeigt eine symmetrische Anordnung mit
symmetrischen Schirmflächen.
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Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit getrennten
Schirmflächen.
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Fig. 6 zeigt eine Anordnung aus mehreren
Leiterbahnpaaren mit Schirmflächen, welche mit einer leitfähigen
Rückwand verbunden sind.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine
erfindungsgemäße Vorrichtung im Schnitt. Eine zweite Einheit (2) ist
gegenüber einer ersten Einheit (1) beweglich
angeordnet. Die erste Einheit (1) weist mehrere entlang der
Bahn der Bewegung angeordnete Leiterbahnen (3) auf.
Abgriffe (4) an der zweiten Einheit (2) dienen zur
Einkopplung bzw. Auskopplung elektrischer Signale in
die Leiterbahn bzw. aus der Leiterbahn. Diese Abgriffe
sind auf Grund der vielfältigen Ausführungsformen hier
nur schematisch dargestellt. Sie können beispielsweise
Drahtfedern, flexible Bänder aus metallischen Geweben
oder auch Kohlen sein. Zwischen den Leiterbahnen ist in
einer Nut (8) eine Schirmfläche (5) eingebracht.
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Fig. 2 zeigt im Schnitt eine andere Ausgestaltung der
Erfindung, bei der zwischen Leiterbahnen (3) eine Nut
(8) zur Verringerung der Kapazität zwischen den
Leiterbahnen vorgesehen ist. Durch diese Verringerung der
Kapazität wird auch die Verkoppelung zwischen den
Leiterbahnen entsprechend reduziert.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung,
bei der ein zusätzlicher Abgriff (4) zur Schirmflächen
(5) vorgesehen ist.
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Fig. 4 zeigt eine symmetrische Anordnung, wie sie
insbesondere für den Betrieb mit symmetrischen Signalen
geeignet ist. Die beiden Leiterbahnen (3) werden
hiermit symmetrischen Signalen betrieben. Weiterhin sind
zur Schirmung symmetrisch angeordnet zwei Schirmflächen
(5) vorgesehen.
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Fig. 5 zeigt eine Anordnung mit getrennten
Schirmflächen (5), welche durch einen isolierten Träger (9)
voneinander isoliert sind. Somit kann beispielsweise
die Schirmflächen auf der linken Seite des isolierten
Trägers den ebenfalls auf der linken Seite angeordneten
Leiterbahnen (3) zugeordnet werden. Dieses
beispielsweise dann notwendig, wenn die Leiterbahnen auf der
linken Seite mit einem eigenen Kabel versorgt werden,
dessen Schirm mit der Schirmfläche auf der linken Seite
des isolierten Trägers verbunden sind. Ebenso kann nun
die Anordnung auf der rechten Seite des isolierten
Trägers umfassend zwei Leiterbahn und eine
Schirmflächen von einem gegenüber dem ersten Kabel vollständig
isolierten zweiten Kabel gespeist werden.
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Fig. 6 zeigt beispielhaft eine Mehrfachanordnung aus
mehreren Leiterbahnpaaren sowie dazwischenliegenden
Schirmflächen. Die Schirmflächen sind an den
Verbindungspunkten (10) mit einer leitfähigen Rückwand (6)
verbunden. Zweckmäßigerweise liegen die Schirmflächen
nicht ganz flächig auf der isolierten Rückwand auf,
sondern haben beispielsweise auf der der Rückwand
zugewandten Seite Zähne, ähnlich denen eines Zahnrades.
Durch diese Zähne kann nun das elektrischer
Isoliermaterial, welches als Basis der ersten Einheit (1) dient
hindurch dringen und eine sichere Verbindung der
gesamten Einheit gewährleisten. Eine elektrischer Verbindung
kann wahlweise an einem oder mehreren Punkten erfolgen.
Bezugszeichenliste
1 Erste Einheit
2 Zweite Einheit
3 Leiterbahn
4 Abgriff
5 Schirmfläche
6 leitfähige Rückwand
7 Leiterbahnträger
8 Nut
9 Isolierter Träger
10 Verbindungspunkt