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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 Werkzeugmaschinen oder auch in Computertomografen
eingesetzt.
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Stand der Technik
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Bei
Schleifringen bzw. Schleifbahnen sind kontaktierende sowie kontaktlose Übertragungstechniken
bekannt. Da das technische Funktionsprinzip von Schleifringen zur
Drehübertragung
sowie von linearen Schleifbahnen zur Linearen bzw. Kurvenförmigen Schleifbahnen
dasselbe ist, wird in den folgenden Ausführungen nicht weiter zwischen
diesen unterschieden. Die Begriffe werden synonym verwendet.
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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 schleifendem Kontakt steht. Über
diesen galvanischen Kontakt kann nun elektrischer Strom übertragen
werden. Über
die bekannten Schleifkon taktanordnungen werden vorzugsweise Gleichströme oder
niederfrequente Wechselströme übertragen.
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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. Günstiger
in der Herstellung sind meist Schleifringe, welche auf Leiterplatten
in Form gedruckter Schaltungen realisiert sind. 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 01 965 A1 offenbart.
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Zum
Abgriff der Signale werden beispielsweise Kontakte aus Federdraht
oder Kohle eingesetzt. Derartige Kohlekontakte sind beispielsweise als
Miniaturkontakte in der
DE
199 09 319 A1 oder auch in der
DE 298 08 639 U1 offenbart,
welche in diese Patentanmeldung mit eingeschlossen sein sollen.
Gesinterte Grafikkontakte sind beispielsweise in der
DE 36 50 282 T2 offenbart.
Insbesondere die zuvor beschriebenen Kohlekontakte zeichnen sich durch
hohe Lebensdauer, Abriebbeständigkeit
sowie hohe chemische Beständigkeit
aus. Das Problem beim Einsatz derartiger Kontakte liegt meist in
der Schleifbahn, welche einem schnelleren Verschleiß unterliegt
und anfällig
gegen chemische Einflüsse
ist.
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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 Lebensdauer aufweisen und kostengünstiger herstellbar sind.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist in den unabhängigen
Patentansprüchen
angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Übertragung
elektrischer Signale bzw. Energie zwischen wenigstens zwei gegeneinander
beweglichen Einheiten umfasst eine entlang der Bahn der Bewegung
angeordnete Leiterbahn aus elektrisch leitfähigen Material sowie wenigstens
einen entlang dieser Leiterbahn beweglichen Abgriff zur ein- bzw.
Auskopplung elektrischer Signale. Die Leiterbahn besteht aus einem
Kohlematerial in Form einer dünnen Schicht,
welche auf einem Träger
aufgebracht ist. Die Ausbildung der Leiterbahn als Kohleschicht
ergibt eine äußerst robuste
und zuverlässige
Anordnung mit hohe Lebensdauer und hoher chemischer Resistenz.
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Es
können
auch erfindungsgemäß mehrere Leiterbahnen
bzw. mehrere Abgriffe miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise
auf einer Leiterbahn eine Kombination aus mehreren Abgriffen, welche
sich wahlweise mechanisch miteinander gekoppelt oder auch unabhängig voneinander
bewegen, vorgesehen sein. So ist die gleichzeitige Signalübertragung
zum mehreren unabhängig
voneinander beweglichen Einheiten möglich. Ebenso können auch
mehrere Leiterbahnen vorgesehen sein. Insbesondere ist es sinnvoll,
mehrere Leiterbahnen und mehrere Abgriffe zu gleichzeitigen Übertragung
mehrerer Signale vorzusehen. Es wird hier nicht zwischen Signalen
und Energie unterschieden, da diese gegenseitig austauschbar sind.
Allerdings ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorzugsweise zu Übertragung
kleiner Energien bzw. kleiner Ströme geeignet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht
die Leiterbahn aus „grüner Kohle", welche durch eine
anschließende
Temperaturbehandlung in ihren Endzustand übergeführt wurde. Diese sogenannte „grüne Kohle" ist ein noch nicht fertig
ausgehärtetes
Kohlematerial, welches erst durch eine Temperaturbehandlung in den
endgültigen
Zustand einer dichten, temperaturbeständigen Kohle mit großer Härte und
guter elektrischer Leitfähigkeit
umgewandelt wird. Diese „grüne Kohle" bietet den Vorteil,
dass sie mit einfachen Mitteln in mechanischen oder mikromechanischen
Fertigungsschritten verarbeitet werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Leiterbahn auf einem Träger
aufgebracht. Als Träger
sind beispielsweise Kunststoffe, vorzugsweise mit Glasfaserverstärkung oder
Keramikmaterialien geeignet. Dadurch kann die Schicht selbst sehr
dünn ausgeführt werden.
Durch die dünne
Ausgestaltung kann trotz einer sehr harten Schicht noch eine gewisse
Flexibilität
erreicht werden. Zudem kann der Träger selbst in der Geometrie beliebig
gestaltet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere
Leiterbahnen auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht. Somit lassen
sich auch mehrkanalige Übertragungsstrecken
auf einem gemeinsamen Träger
realisieren.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung von Leiterbahnen für Schleifringe umfasst die
folgenden Schritte: zuerst wird eine Schicht aus „grüner Kohle" hergestellt. Diese
Schicht kann wahlweise mit einem Substrat fest verbunden sein. So kann
beispielsweise die Schicht nur vorübergehend für die Dauer des Fertigungsprozesses
auf einem Substrat gelagert werden. Sie kann aber auch für die spätere Anwendung
fest mit einem Substrat verbunden werden. In einem weiteren Fertigungsschritt
erfolgt eine thermische Behandlung derart, dass die ursprüngliche „grüne Kohle" in einen endgültigen Kohlezustand übergeführt wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
die Herstellung der Schicht durch wenigstens eines der Verfahren
Giessen, Strangpressen bzw. Spritzen.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Einbettung kleiner
Teilchen der grünen Kohle
in einem Polymerharzsystem vor. Dadurch ist eine besonders einfache
Verarbeitung möglich.
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Vorteilhafterweise
wird das Polymerharzsystem lichtempfindlich gestaltet, so dass eine
Formgebung der Schicht durch fotolithografische Verfahren möglich ist.
So kann eine Leiterstruktur beispielsweise durch belichten und anschließendes auswaschen wahlweise
der belichteten oder unbelichteten Stellen hergestellt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Schicht auf
einem Träger
aus einem vorzugsweise glasfaserverstärkten Kunststoff oder einem
Keramikmaterial aufgebracht.
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Weiterhin
kann in dem Verfahrensschritt der thermischen Behandlung die „grüne Kohle" bis zur sogenannten
Glaskohle übergeführt werden.
Diese Glaskohle ist ein amorphes Material mit einer besonders hohen
Härte und
guter elektrischer Leitfähigkeit.
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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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1 zeigt in allgemeiner Form
schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung.
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1 zeigt in schematischer
Form eine erfindungsgemäße Vorrichtung
in Seitenansicht. Eine zweite Einheit (2) ist gegenüber einer
ersten Einheit (1) beweglich angeordnet. Der Richtungspfeil
(5) zeigt die Richtung der Bewegung an. Die erste Einheit
(1) weist eine entlang der Bahn der Bewegung angeordnete
Leiterbahn (3) auf. Diese Leiterbahn ist mittels der Kontaktierung
(6) zur Stromführung
anschließbar.
Ein Abgriff (4) an der zweiten Einheit (2) dient
zur Einkopplung bzw. Auskopplung elektrischer Signale in die Leiterbahn
bzw. aus der Leiterbahn.
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- 1
- Erste
Einheit
- 2
- Zweite
Einheit
- 3
- Leiterbahn
- 4
- Abgriff
- 5
- Richtungspfeil
- 6
- Kontaktierung