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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch leitendes, magnetisches
Pulver.
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In
einer Vielzahl von elektrischen Anwendungen müssen zwischen mehreren elektrischen
Kontakten elektrisch leitende Verbindungen hergestellt werden, beispielsweise
um ein elektrisches Steuersignal bzw. eine elektrische Spannung
bzw. einen elektrischen Strom zwischen den miteinander verbundenen
Kontakten zu übertragen.
Betrachtet werden hierbei vor allem dynamische Verbindungen, also Verbindungen,
die in Abhängigkeit
vorbestimmter Bedingungen geschlossen und geöffnet oder verändert werden.
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Beispielsweise
werden bei einem Schalter darin angeordnete Kontakte in Abhängigkeit
einer Betätigung
des Schalters mit- einander verbunden oder voneinander getrennt.
Derartige Schalter können
beispielsweise als Endschalter ausgestaltet sein, die unterschiedliche
Relativlagen zwischen den Kontakten und einem Verbindungselement
zum Verbinden der Kontakte erkennen. Bei mechanischen Lösungen wird
das Verbindungselement körperlich
mit den Kontakten kontaktiert, um die jewei lige Verbindung herzustellen.
Alternativ sind elektronisch arbeitende Lösungen möglich, bei denen der Schalter
beispielsweise induktiv, kapazitiv, optisch, mit Ultraschall oder
unter Verwendung des Halleffekts betätigt wird, um das jeweils gewünschte Schaltsignal
zu generieren.
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Andere
Anwendungen sind z.B. Potentiometer, bei denen eine Kollektorbahn
entlang einer Widerstandsbahn angeordnet ist und bei denen ein Verbindungselement
den Kollektor mit dem Widerstand verbindet. Das Verbindungselement
ist dabei entlang der Bahnen verstellbar, wobei das Ausgangssignal des
Potentiometers von der Relativlage des Verbindungselements entlang
der Bahnen abhängt.
Bei einer mechanischen Lösung
ist das Verbindungselement üblicherweise
als Schleifer ausgestaltet. Da derartige Lösungen verschleißanfällig sind,
werden auch hier bereits elektrische bzw. elektronische Lösungen angewandt,
die berührungslos
und somit verschleißfrei
arbeiten. Potentiometer werden beispielsweise für Weg- und Winkelsensoren benötigt.
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Dynamische
Verbindungen, die mit körperlicher
oder schleifender Kontaktierung des Verbindungselements mit den
jeweiligen Kontakten arbeiten, können
zwar relativ preiswert her- gestellt werden, sind jedoch verschleißanfällig und
im Hin blick auf eine lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit
des jeweiligen Bauteils nachteilig. Im Unterschied dazu können elektronische
Systeme berührungslos
arbeiten, so dass quasi kein Verschleiß auftritt. Elektronische Systeme
sind allerdings vergleichsweise teuer. Desweiteren kann auch bei
elek tronischen Systemen eine hohe Zuverlässigkeit nur begrenzt gewährleistet werden.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
das dynamische Verbinden von wenigstens zwei elektrischen Kontakten
einen Weg aufzuzeigen, der preiswert realisierbar ist und bei einer
hohen Zuverlässigkeit
eine lange Lebenszeit eines damit arbeitenden Systems ermöglicht.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein elektrisch leitendes
und magnetisches oder ferro-magnetisches Pulver bereitzustellen.
Ein derartiges CMP (Conductive Magnet Powder) vereint in sich zwei
Eigenschaften, nämlich
die Beeinflussbarkeit durch magnetische Kräfte einerseits und die elektrische
Leitfähigkeit
andererseits. Hierdurch ist es möglich,
das CMP mittels magnetischer Kräfte,
also insbesondere berührungslos
zu manipulieren, beispielsweise um das CMP relativ zu elektrischen
Kontakten zu bewegen. Desweiteren können mit dem CMP zwei oder
mehr elektrische Kontakte miteinander verbunden werden, da das CMP
erfindungsgemäß hinreichend
elektrisch leitfähig
ist. Ebenso ist es möglich,
das CMP entlang von Kontakten, beispielsweise in einem Potentiometer, zu
positionieren. Zwar kommt es auch hier zu einem körperlichen
Kontakt zwischen dem CMP und den jeweiligen Kontakten, jedoch können Reibungsbeiwerte
zwischen den relativ kleinen Partikeln und einem Festkörper extrem
klein sein. Dementsprechend können
die elektrischen Kontakte mit dem CMP quasi verschleißfrei kontaktiert
werden.
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Mit
dem CMP kann in einem elektrischen Bauteil ein Verbindungselement
bereit gestellt werden, das mittels magnetischer Kräfte berührungslos relativ
zu den jeweiligen Kontakten verstellt werden kann. Hierdurch können verschleißfrei arbeitende Systeme
realisiert werden, die zuverlässig
arbeiten und eine hohe Lebensdauer besitzen.
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Dabei
ist es insbesondere möglich,
das CMP und die jeweiligen Kontakte in einem, insbesondere hermetisch
abgeschlossenen, Gehäuse
unterzubringen und das Gehäuse
so auszugestalten, dass die magnetischen Kräfte zum Verstellen des CMP
von außen
durch eine Wand des Gehäuses
hindurch auf das CMP einwirken können.
Hierdurch eröffnen
sich für
die jeweiligen Bauteile neuartige Anwendungsgebiete.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche
oder ähnliche
Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Ansicht auf ein Volumen
eines erfindungsgemäßen elektrisch
leitenden, magnetischen Pulvers,
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2 eine Ansicht auf ein elektrisch
leitendes Partikel,
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3 ein Schaltbild eines Potentiometers,
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4 eine vereinfachte Prinzipdarstellung eines
potentiometrischen Wegaufnehmers in einer Draufsicht,
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5 einen Längsschnitt
durch den Wegaufnehmer entsprechend den Schnittlinien V in 4,
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6 einen Querschnitt durch
den Wegaufnehmer entspre- chend Schnittlinien VI in 4,
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7 einen Querschnitt wie
in 6, jedoch bei einer
anderen Ausführungsform
des Wegaufnehmers,
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8 eine Ansicht auf ein Volumen
einer erfindungsgemäßen elektrisch
leitenden, magnetischen Flüssigkeit.
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Entsprechend 1 enthält ein Volumen eines erfindungsgemäßen elektrisch
leitenden, magnetischen Pulvers 1, im folgenden auch CMP-Volumen 1 genannt,
elektrisch leitende, magnetische Partikel 2. Grundsätzlich können die
Partikel 2 aus einem beliebigen, magnetisch anziehbaren,
also ferromagnetischen Material bestehen. Wichtig ist, dass die Partikel 2 von
magnetischen Kräften
anziehbar sind. Die Partikel 2 können dabei weichmagnetisch
oder hartmagnetisch sein. Grundsätzlich
kann es ausreichend sein, einen vorbestimmten Anteil der Partikel 2 elektrisch
leitend und magnetisch auszubilden. Bevorzugt wird jedoch eine Variante,
bei der alle Partikel 2 des Pulvers 1 elektrisch
leitend und magnetisch sind, so dass das Pulver 1 dann
aus elektrisch leitenden und magnetischen Partikeln 2 besteht.
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Bei
einer besonderen Ausführungsform
können
die Partikel 2 aus einem magnetischen und elektrisch leitenden
Material bestehen. Beispielsweise können die Partikel 2 aus
Eisen oder Stahl oder Nickel bestehen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
können die
Partikel 2 einen magnetischen Kern 4 aufweisen, der
mit einer elektrisch leitenden Beschichtung 5 versehen
ist. Der magnetische Kern 4 kann dann aus einem elektrisch
nichtleitenden Material bestehen. Beispielsweise bestehen die Kerne 4 aus
Ferrit, das als Grundwerkstoff zur Herstellung von Magnetkörpern, z.B.
in Generatoren oder Elektromotoren, dient. Die Oberfläche der
Kerne 4 muss dabei nicht vollständig beschichtet sein, ebenso
müssen
nicht sämtliche Kerne 4 mit
der Beschichtung 5 versehen sein. Bevorzugt wird jedoch
eine Ausführungsform,
bei welcher die Kerne 4 an ihrer Oberfläche vollständig beschichtet sind und/oder
bei welcher sämtliche
Kerne 4 mit der Beschichtung 5 versehen sind.
Die Konzentration der elektrisch leitfähigen Partikel 2 im
Pulver 1 wird in Abhängigkeit
der gewählten
elektrischen Leitfähigkeit
des CMP-Volumens 1 ausgewählt.
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Die
elektrische Beschichtung 5 der Kerne 4 kann beispielsweise
mit Kohlenstoff oder mit einem Metall, insbesondere mit einem mehr
oder weniger edlen Metall realisiert werden.
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Vorzugsweise
sind die Partikel 2 vormagnetisiert. Dies hat zur Folge,
dass sich die einzelnen Partikel 2 gegenseitig wie kleine
Magnete anziehen und zu einem zusammenhängenden Volumen konglomerieren.
Ein derartiges Volumen oder Konglomerat der magnetisierten Partikel 2 verhält sich
dynamisch quasi wie eine Flüssigkeit.
Um besonders niedrige Reibungswerte zwischen den einzelnen Partikeln 2 innerhalb
des Pul- vers 1 (innere Reibung) und/oder zwischen dem
Pulver 1 und beispielsweise einem elektrischen Kontakt
(äußere Reibung)
zu erzielen, können
die Partikel 2 eine relativ kleine mittlere Korngröße aufweisen,
die insbesondere kleiner als 50 μm oder
kleiner 40 μm
oder kleiner 35 μm
ist. Zusätzlich oder
alternativ kann die innere Reibung und die äußere Reibung auch dadurch reduziert
werden, dass die Partikel 2 kugelförmig oder annähernd kugelförmig ausgebildet
sind. Das Pulver 1 besitzt dann ein im wesentlichen kugelförmiges Korn.
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Entsprechend 8 ist es außerdem möglich, das
Pulver 1 in eine Flüssigkeit
oder Trägerflüssigkeit 3 einzubinden,
wodurch sich die Reibung ebenfalls reduzieren läßt. Hierdurch kann eine elektrisch
leitende und magnetische Flüssigkeit 1' (Conductive
Magnet Fluid oder kurz CMF) geschaffen werden. Die hierzu verwendete
Trägerflüssigkeit 3 kann
mit den darin enthaltenen Partikeln 2 dann eine Dispersion
bilden. Als Trägerflüssigkeit 3 eignet
sich beispielsweise ein Öl.
Vorteilhaft ist eine Trägerflüssigkeit 3,
die eine relativ große
Oberflächenspannung
besitzt. Eine große
Oberflächenspannung
bewirkt einen relativ starken Zusammenhalt des so gebildeten CMF-Volumens 1' und wirkt einem
Kriechen sowie einer Haftung der Trägerflüssigkeit 3 an einem damit
in Berührung
stehenden Körper
entgegen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der als Trägerflüssigkeit 3 ein
nicht emigrierendes Öl
verwendet wird.
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Zur
Verdeutlichung ist in 2 ein
einzelnes Partikel 2 dargestellt, das einen magnetischen
Kern 4 aufweist, der an seiner Außenseite mit einer elektrisch
leitenden Beschichtung 5 versehen ist.
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Das
erfindungsgemäße elektrisch
leitende, magnetische Pulver 1 kann besonders einfach dadurch
hergestellt werden, dass elektrisch leitende und magnetische Partikel 2 in
einer schüttfähigen Korngröße bereitgestellt
werden. Die elektrisch leitenden und magnetischen Partikel 2 können beispielsweise
dadurch hergestellt werden, dass magnetische Kerne 4 mit
einer elektrisch leitenden Beschichtung 5 versehen werden.
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Das
CMP-Volumen 1 bzw. das erfindungsgemäße elektrisch leitende, magnetische
Pulver 1 eignet sich in besonderer Weise für eine Verwendung
in einem elektrischen Bauteil zur Übertragung eines elektrischen
Signals und/oder einer elektri- schen Spannung und/oder eines elektrischen
Stroms zwischen wenigstens zwei elektrischen Kontakten.
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In
den 3 bis 7 wird am Beispiel eines
Potentiometers ohne Beschränkung
der Allgemeinheit exemplarisch ein elektrisches Bauteil beschrieben,
in dem das erfindungsgemäße elektrisch
leitende, magnetische Pulver 1 zur Anwendung kommen kann.
Es ist klar, dass grundsätzlich
auch bei anderen elektrischen Bauteilen zwei oder mehr elektrische
Kontakte mit Hilfe des erfindungsgemäßen elektrisch leitenden, magnetischen
Pulvers 1 dynamisch miteinander verbunden werden können.
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Entsprechend 3 besitzt ein Potentiometer 6 drei
Anschlüsse 7, 8, 9 sowie
einen Widerstand 10, auf den der mit 8 bezeichnete
Anschluss mit einem durch einen Pfeil symbolisierten Verbindungselement 11 an
verschiedenen Positionen, also bei verschiedenen Widerstandswerten
zugreifen kann. In Abhängigkeit
der Positionierung des Verbindungselements 11 erzeugt das
Potentiometer 6 an seinen Anschlüssen 7, 8, 9 Ausgangssignale,
die in einer entsprechenden Schaltung ausgewertet werden können.
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4 zeigt eine Ausführungsform,
bei welcher das Potentiometer 6 als linearer Wegaufnehmer ausgestaltet
ist. Das Potentiometer 6 enthält eine Widerstandsbahn 12,
die einen ersten elektrischen Kontakt bildet, sowie eine Kollektorbahn 13,
die einen zweiten elektrischen Kontakt bildet. Das Verbindungselement 11 ist
hier durch ein Volumen, insbesondere ein tropfenförmiges Konglomerat,
des elektrisch leitenden, magnetischen Pulvers 1 gebildet und
wird daher im folgenden auch als Betätigungsvolumen 11 oder
CMP-Volumen 1 bezeichnet. Das Betätigungsvolumen 11 bzw.
das CMP-Volumen 1 ist dabei so positioniert, dass das CMP-Volumen 1 sowohl
die Kollektorbahn 13 als auch die Widerstandsbahn 12 kontaktiert.
Es ist klar, dass hier grundsätzlich
auch ein Volumen der weiter oben beschriebenen elektrisch leitenden,
magnetischen Flüssigkeit 1' (CMF-Volumen)
in entsprechender Weise verwendet werden kann. Die nachfolgenden
Ausführungen
gelten somit grundsätzlich
auch für
ein CMF-Volumen 1'.
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Diese
Positionierung des CMP-Volumens 1 wird entsprechend 5 mit Hilfe magnetischer Kräfte 14 realisiert,
die in 5 durch unterbrochene Linien
symbolisiert sind. Die magnetischen Kräfte 14 werden von
einer Betätigungseinrichtung 15 erzeugt. Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
weist diese Betätigungseinrichtung 15 einen
Aktuator 16 auf, der entsprechend Pfeilen 17 relativ
zu den Kontakten bzw. Bahnen 12, 13 des Potentiometers 6 verstellbar ist.
Zur Erzeugung der magnetischen Kräfte 14 kann der Aktuator 16 zumindest
einen Magneten 18 enthalten, der als Permanentmagnet oder
als Elektromagnet ausgestaltet sein kann.
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Bei
einer Relativverstellung des Aktuators 16 relativ zu den
Kontakten bzw. Bahnen 12, 13 wird ein Magnetfeld,
das die magnetischen Kräfte 14 erzeugt, entsprechend
mit verstellt. Da die magnetischen Kräfte 14 auf das CMP-Volumen 1 einwirken,
folgt das Volumen 11 den Verstellbewegungen des Aktuators 18,
was in 5 durch entsprechende
Pfeile 19 angedeutet ist. Durch Verstellen des Aktuators 18 kann
somit die Positionierung des Volumens 11 entlang der Bahnen
bzw. Kontakte 12, 13 verändert werden, wodurch sich
in entsprechender Weise das Ausgangssignal des Potentiometers 6 ändert.
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Sofern
das Potentiometer 6 als Wegaufnehmer verwendet wird, kann
der Aktuator 16 mit einem Objekt verbunden werden, dessen
Relativbewegungen mit dem Wegaufnehmer erfasst werden sollen.
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Wie
aus 5 deutlich hervorgeht,
können die
Kontakte 12, 13 bzw. die Widerstandsbahn 12 und
die Kollektorbahn 13 so- wie das CMP-Volumen 1 in
einem Gehäuse 20 untergebracht
sein, dass zweckmäßig nach
außen
hermetisch abgedichtet ist. Dieses Gehäuse 20 ist hier zumindest
an einer den Bahnen oder Kontakten 12, 13 gegenüberliegenden Wand 21 für die magnetischen
Kräfte 14 durchlässig ausgestaltet.
Die außerhalb
des Gehäuses 20 bzw. außen am Gehäuse 20 angeordnete
Betäti gungseinrichtung 15 kann
somit durch die Wand 21 hindurch auf das CMP-Volumen 1 einwirken.
Dementsprechend bewirkt eine Relativverstellung des Aktuators 16 entlang
der Außenseite
des Gehäuses 20 eine entsprechende
Relativverstellung des CMP-Volumens 1 im Gehäuse 20.
Entsprechend 5 kann der
Aktuator 16 vorteilhafterweise relativ zum Gehäuse 20 so
positioniert werden, dass er beabstandet zum Gehäuse 20, also berührungslos
entlang des Gehäuses 20 verstellbar
ist.
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Die
erfindungsgemäße Anwendung
des elektrisch leitenden, magnetischen Pulvers 1 im Potentiometer 6 zur
Realisierung der dynamischen Kontaktierung der Bahnen oder Kontakte 12, 13 führt zu einer
minimalen Reibung zwischen dem CMP-Volumen 1 und der Oberfläche der
Kontakte oder Bahnen 12, 13. Die Kräfte zum
Verstellen des CMP-Volumens 1 sind daher sehr klein. Desweiteren
tritt ein Verschleiß der
Kontakte oder Bahnen 12, 13 sowie des CMP-Volumens 1 quasi
nicht auf, wodurch sich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit
des Potentiometers 6 erhöht. Schließlich führt auch die berührungslose
Anordnung des Aktuators 16 relativ zum Gehäuse 20 zu
einer minimalen bzw. fehlenden Reibung, so dass auch hier ein Verschleiß vermieden
werden kann. Ein weitere Vorteil der insgesamt extrem reduzierten
Reibung kann darin gesehen werden, dass die zum Verstellen des Potentiometers 6 erforderlichen
Stellkräfte
extrem klein sind, so dass das Potentiometer 6 als Präzisionsinstrument
ausgestaltet werden kann.
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Die
Widerstandsbahn 12 und die Kollektorbahn 13 können beispielsweise
in Form eines leitfähigen
Kunststoffs, sogenann te Leitplastik, auf ein Substrat 22 aufgebracht
sein. Entsprechend 6 sind
in das Substrat 22 zwei Leiterbahnen 23, 24 eingebettet,
von denen die eine zu dem mit 7 bezeichneten Anschluss
führt und
an die Widerstandsbahn 12 angeschlossen ist. Die andere
Leiterbahn 24 führt
zu dem mit 8 bezeichneten Anschluss und ist mit der Kollektorbahn 13 abgedeckt.
Die Widerstandsbahn 12 ist an ihren Enden zum einen mit
der Leiterbahn 23 und zum anderen mit dem mit 9 bezeichneten
Anschluss verbunden.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 6 sind im Gehäuse 20 außerdem Längsstege 25 angeordnet,
die sich hier auf den Bahnen bzw. Kontakten 12, 13 abstützen. Die
Längsstege 25 sind
elektrisch nicht leitend und schließen zwischen sich einen Kanal 26 ein,
in dem das CMP-Volumen 1 untergebracht und entlang der
Bahnen 12, 13 verstellbar ist. Hierdurch ist das
CMP-Volumen 1 in einem definierten Raum eingeschlossen,
so dass sich das Volumen 11 auch dann immer wieder neu
formieren kann, wenn er beispielsweise durch Erschütterungen
geteilt werden sollte.
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Während bei
der Ausführungsform
gemäß 6 die Kollektorbahn 13 und
die Widerstandsbahn 12 in einer Ebene nebenein- ander auf
dem Substratkörper 22 angeordnet
sind, zeigt 7 eine andere Ausführungsform,
bei welcher die Widerstandsbahn 12 und die Kollektorbahn 13 zwar
beieinander, jedoch in verschiedenen Ebenen einander gegenüber liegen.
Bei dieser Ausführungsform
kann das Potentiometer 6 vergleichsweise kompakt gebaut
werden, z.B. ist nur ein Längssteg 25 zum
Ab trennen des Kanals 26 erforderlich. Ebenso reduziert
sich das erforderliche CMP-Volumen 1.
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Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen besitzt
die Betätigungseinrichtung 15 den
Aktuator 16, der relativ zu den Kontakten bzw. Bahnen 12, 13 verstellt
werden kann und dabei die entsprechende Positionierung des CMP-Volumens 1 bewirkt.
Bei einer anderen Ausführungsform
kann die Betätigungseinrichtung 15 einen
Magnetkrafterzeuger aufweisen, der nach Art eines Linearmotors ausgebildet
ist. Dieser Magnetkrafterzeuger erstreckt sich dann entlang eines
für das
CMP-Volumen 1 vorbestimmten Verstellwegs.
Im vorliegenden Fall würde
sich der Magnetkrafterzeuger dann entlang der Bahnen bzw. Kontakte 12, 13 erstrecken.
Der Magnetkrafterzeuger kann dann magnetische Kräfte erzeugen, die das CMP-Volumen 1 entlang
dieses Verstellwegs, also entlang der Kontakte bzw. Bahnen 12, 13 antreibt. Somit
ist es möglich,
ohne Relativbewegung zwischen der Betätigungseinrichtung 15 und
den Kontakten oder Bahnen 12, 13 eine Relativverstellung des
CMP-Volumens 1 zu
erzeugen, in dem lediglich ein entsprechendes Magnetfeld entlang
der Bahnen oder Kontakte 12, 13 positioniert wird.
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Weitere
Bauteile, die elektrische Kontakte enthalten, die mit Hilfe des
erfindungsgemäßen elektrisch
leitenden, magnetischen Pulvers 1 dynamisch kontaktiert
werden können,
sind beispielsweise ein Potentiometer wie in den 4 bis 7,
das zusätzlich mit
einem oder mehren Schaltern ausgestattet ist, ein Schalter, ein
abgedichteter Schalter, ein Endschal ter, ein Näherungsschalter, ein Stufenschalter,
ein Incremental-Encoder, ein Absolut-Encoder, ein Relais, ein abgedichtetes
Relais und so weiter.