DE1952678A1 - Elektrisches Widerstandselement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

The Battelle Development Corporation, 505 King Avenue,

Columbus/Ohio, (V.St.A.).

Elektrisches Widerstandselement und Verfahren zu dessen Herstellung

ΐΐΐ mV SS Ϊ*β» S* ^^ϊ 2S ^^ΐ H^E «■■■ wlv ^^b *■* ^SS ^SX HT BHw ϊϊϊ bS· 5*"> Sh S*· ΐ«ΐ ΐρϊΐ SS! ^«ΐ 355 ^pS Ϊη «■■■ ·*■" β*^ ΐΐ ·■·■ ΐΐι

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Widerstandselement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Materials. Insbesondere bezieht sie sich auf ein elastisch zusammendrückbares Widerstandselement, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von Zug oder Druck ändert. Ferner umfaßt die Erfindung preiswerte Energiewandler, die aus dem vorgenannten Widerstandselement hergestellt sind.

009826/1462

Es besteht ein Bedarf an preiswerten Vorrichtungen, die, in einem elektrischen Stromkreis eingefügt, ihre elektrischen Eigenschaften ändern, sobald sie mechanisch beeinflußt werden, oder die als Folge einer Beeinflußung oder Bewegung bezüglich eines umgebenden Mediums eine elektromotorische Kraft erzeugen. Derartige Vorrichtungen finden insbesondere als Energiewandler weitverbreitete Anwendung.,

Es sind Vorrichtungen bekannt und erhältlich, die aufgrund spezifischer, gemessener Kenngrößen und der sie umschließenden Umgebung ausgewählt sind« Leider sind die meisten der bekannten Vorrichtungen, die den Erfordernissen einer vorgegebenen Umgebung entsprechen können, recht teuer» Beispielsweise werden Dehnungsmeßstreifen, die auf eine Längenänderung elektrisch ansprechen, in einer Vielzahl von Energiewandlerarten verwendet. Außerdem sind Verbindungen bestimmter seltener Erden bekannt, die auf Druck elektrisch ansprechen und für Energiewandler Anwendung gefunden haben. Obgleich diese Wandler genau arbeiten, ist die Verwendung aller genannten Vorrichtungen wegen der hohen Kosten ausgeschlossen, wenn mittels einer preiswerten Vorrichtung in ersten Linie quartitative Unterschiede gemessen werden sollen, z.B. bei der Nessung des

00982371462

Öldruckes in dem Motorblock eines Automobils. Für den letztgenannten Anwendungsfall wurde bereits eine preiswerte Vorrichtung verwendet, die einen Hebel aufweist, der mechanisch betätigt in eine in einem elektrischen Stromkreis liegende Spule eintaucht. Die Bewegung des Hebels und der· Widerstand des Stromkreises ändert sich mit der auf diesen Hebel , ausgeübten Kraft. Derartige Vorrichtungen sind infolge der benötigten Vielzahl von Teilen kompliziert und versagen oft infolge eines Materialbruchs.

Zwei jüngere Annäherungen zur Lösung der Aufgabe,, einen preiswerten Energiewandler zu schaffen, beruhen auf der Verwendung von Widerstandselementen aus nichtmetallischen Materialien, die elektrisch leitend gemacht wurden. Die US-Patentschrift 3.011.063 zeigt einen Energiewandler mit einem Plättchen aus mechanisch verformbaren Material, das einen mit dem Grad der Verformung des Materials sich ändernden elektrischen Widerstand besitzt. Leitfähiger Gummi hat sich als zufriedenstellendes Material erwiesen. Obgleich diese Annäherung an die Lösung des genannten Problems verdienstvoll ist, hat es sich herausgestellt, das ein Elastomer und ein elektrisch leitfähiges Material

Q08826/U62

— A —

nicht derart verbunden werden könnnen, daß die elastischen und elektrischen Eigenschaften jedes Materials durch die Anwesenheit des anderen unbeeinflußt bleiben= In der US-Patentschrift 2.734.978 ist das Überziehen der Oberflächen der Zellwandungen eines nichtleitfähigen elastischen zellenförmigen Materials mit einem anhaftendem Überzug aus pulverigem, elektrischleitfähigem Material, wie pulverisiertem Kohlenstoff, beschrieben. Bei der Verwendung der Widerstandselemente gemäß der genannten Patentschrift ergeben sich einige Schwierigkeiten als Folge des Abblätterns und Absplitterns des pulverigen Materials von den Oberflächen der Zellen bei deren Deformation. Ferner weisen die Elemente nur einen einzigen spezifischen Widerstandsbereich* sowie eine begrenzte Empfindlichkeit auf und sind daher auf solche Anwendungsfälle beschränkt, bei denen diese Empfindlichkeit und dieser Widerstandsbereich genügt. Die preiswerten Energiewandler aus den vorgenannten Widerstandselementen leiden unter den zusätzlichen Nachteilen einer geringen Ausgangsleistung und dem Mangel einer Temperaturkompensation.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und preiswertes Widerstandselement zu schaffen.

9826/1462

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren zur Herstellung eines leitfähigen Materials vorzuschlagen.

Ferner betrifft diese Erfindung ein ¥1 derstandselement, das elastisches und elektrisch leitfähiges Material, derart aufweist, daß die Eigenschaften des ersteren von der Anwesenheit des letzteren unbeeinflußt bleiben.

Schließlich ist es noch Aufgabe dieser Erfindung, ein Widerstandselement zu schaffen, das elastische und elektrisch leitfähige Teile bei einstückigem Aufbau aufweist, wobei die mechanischen und elektrischen Eigenschaften auch nach wiederholten Verformungen nicht verloren gehen..

Charakteristisch bzw. typisch für das erfindungsgemäße Widerstandselement ist ein elastisches Material mit einem progressiv zusammendrückbaren Grundaufbau oder Skelett und mit einem nichtbrüchigen, elastischen sowie elektrisch leitfähigen zusammenhängenden Überzug, der zumindest an dem untereinander verbundenen Teil des Skeletts anhaftet, wobei der Überzug eine durchschnittliche Dicke von 0,05 bis 0,25 der Dicke des Skelettaufbaus aufweist und das Widerstands-

BAD

009026/1482

element zu weniger als 25 Prozent des Volumens innerhalb der äußeren Begrenzung ausgefüllt ist. Der Überzug verfügt über ein elastisches Bindemittel, in dem die elektrisch leitfähigen Teilchen fein verteilt sind, so daß eine im wesentlichen glatte Außenfläche entsteht, in der die leitfähigen Teilchen überwiegend, wenn auch nicht vollständig, eingebettet sind. Typisch für das leitfähige Materials ist ein Prozentsatz von 10 bis 25% des Überzugsvolumens ■>

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart verfügt das progressiv zusammendrückbar veränderliche Widerstandselement nach der Erfindung über ein dreidimensionales Netzwerk aus untereinander verbindenden Fasern von elastischem Material die in Abständen Verbindungsstellen aufweisen und durch diese zu einer Einheit verknüpft sind, um ein Skelett aus einer Vielzahl von Polyedern zu bilden, deren Flächen alle polygonal und jeweils einem Paar von angrenzenden Polyedern gemeinsam sind, wobei im wesentlichen alle Flächen offen und frei von siembranförmigeiii elastischem Materials sind. Der nichtbrüchige Überzug überdeckt im wesentlichen die verkniffen den Fasern und VerbiiKtaBigssteilen, ohne daß er die offenen poly-

Flächen
goaaien'ausfüllt₉ die elastisches Bindemittel und in diesem

fein verteilte, elektrisch leitfähige Teilchen enthalten, um eine im wesentlichen glatte Außenfläche zu bilden, in der die leitfähigen Teilchen überwiegend, jedoch nicht vollständig in das Bindemittel eingebettet sind. Die mittlere Dicke des Überzugs beträgt im allgemeinen weniger als das etwa 0,5fache des Radius der verbindenden Fasern, und für das Netzwerk ist ein Wert von ungefähr 4 bis 40 polygonalen Flächen pro Zentimeter (10 bis 100 pro "lineal inch") typisch. Außerdem kann mindestens eine Zwischenschicht aus elastischem Material, vorzugsweise aus Silikonkautschuk, zwischen dem Skelett-Netzwerk und dem Überzug vorhanden sein. Das Skelett besteht vorzugsweise aus einem Polyurethan-Kunststoff, die leitfähigen Teilchen vorzugsweise aus Kohlenstoff=

Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsart kann das progressiv zusammendrückbare veränderliche Widerstandselement aus einem verflochtenen Aufbau von Fasern oder Faserbündeln und einer Schicht aus elastischem Material bestehen, die diese Fasern im wesentlichen bedeckt und sie in Abständen an ihren Schnittpunkten verbindet, um ein dreidimensionales verknüpftes Netzwerk zu bilden, das im wesentlichen frei von merabranförmigem Material in den Be-

0098 26/1482

reichen zwischen den Fasern ist, wobei die elastische Schicht dem gesamten Aufbau Elastizität verleiht und ein nichtbrüchiger, elastischer Überzug das Netzwerk im wesentlichen bedeckt, und zwar ohne daß er die Bereiche zwischen den Fasern überwiegend ausfüllt. Dieser Überzug weist wiederum ein elastisches Bindemittel und in diesem fein verteilt elektrisch leitfähige Teilchen auf, um eine im wesentlichen glatte Außenfläche zu bilden, in der die leitfähigen Teilchen überwiegend, jedoch nicht vollständig in das Bindemittel eingebettet sind.

Die Erfindung beinhaltet außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines nichtbrüchigen, elastischen Überzugs mit in diesem fein verteilten leitfähigen Teilchen, um eine im wesentlichen glatte Außenfläche zu bilden, in der die leitfähigen Teilchen überwiegend, wenn auch nicht vollständig, eingebettet sind. Dieses Verfahren umfaßt als Arbeitsschritte das Erhitzen der leitfähigen Teilchen im Vakuum, um Verunreinigungen zu beseitigen, das Abkühlen der leitfähigen Teilchen auf eine vorbestimmte Temperatur, die zur Verdampfung einer ausgewählten Flüssigkeit zu gering ist, ferner das Hinzufügen einer bei dieser Temperatur nicht

96 26/146

verdampfenden Flüssigkeit zu den leitfähigen Teilchen, um eine Paste zu bilden, desweiteren das Hinzufügen eines fließfähigen elastischen Materials zu der Paste, um eine leitfähige Verbindung bzw. ein Gemisch herzustellen, sodann das" Vermischen des leitfähigen Gemischs zur gleichmäßigen Verteilung der leitfähigen Teilchen in dieser Verbindung, und schließlich das Hinzufügen eines Katalysators in das Gemisch, un die Vernetzung des elastischen Materials zu fördern. Eine zusätzliche Flüssigkeit kann zu der leitfähigen Verbindung nach dem Vermischen hinzugefügt werden, um die Viskosität so weit zu verringern, daß das Gemisch leicht in nahezu jeden der offenen zellenförmigen Bereiche einer elastischen porösen Masse eindringen kann. Die Flüssigkeit kann ein Lösungsmittel oder ein Emulgator sein.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung, eines progressiv zusammendrückbaren veränderlichen Widerstandselementes aus einen im wesentlichen vollständig aus offenen Zellen bestehenden dreidimensionalen Netzwerk von verbindenden Fasern eines elastischen Materials. Dieses Verfahren umfaßt das Versehen von zumindest eines Teils der Außenfläche des Netzwerkes mit einem fließfähigen, nichtbrüchigen, leitfähigen Überzug, der ein elastisches Bindemittel und

BAD ORIGINAL

00-9S2S/14SS

elektrisch leitfähige Teilchen aufweist, die in diesem Bindemittel fein verteilt sind, um eine im wesentlichen glatte Außenfläche zu bilden, in der die leitfähigen Teilchen überwiegend, jedoch nicht vollständig eingebettet sind. Ferner gehört zu diesem Verfahren das Aufbringen des Überzugs auf das Netzwerk, bis dieser gleichmäßig über der Außenfläche des Netzwerkes verteilt ist, sowie das Zentrifugieren des Netzwerkes zur Entfernung wan überschüssigem Überzugsmaterial, und schließlich das Trocknen und Behandeln des überzogenen Netzwerkes zur Festigung des elastischen Bindemittels„ Das Netzwerk kann VO:r. Aufbringung des Überzugs mit einer Flüssigkeit gesättigt werden. -

Heiter® Merkmals, Vorteile und Anifendungsmöglichkeiten der Sriincking gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus i©n beigefügten Darstellungen von bevorzugten AusXührungs-

faeispielen hervor. ■■".. -

Es seigen:

Fig. i einen Schnitt durch ein entspanntes" Widerstands- .' ..element Bach der Erfindung? ■

BAD ORIGINAL

Fig. 2 einen Schnitt durch das Widerstandselement nach Fig. 1 in zusammengedrücktem Zustand;

Fig. 3 bis 8 Schnitte durch weitere Ausführungsarten von Widerstandselementen, nach der Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Widerstandselementes gemäß der Erfindung;

Fig. IO in teilweisem Schnitt eine perspektivische Ansicht eines Energiewandlers gemäß der Erfindung;

Fig. 11 in teilweisem Schnitt eine perspektivische Ansicht eines anderen Widerstandselementes für den Energiewandler nach Fig. 10;

Fig. 12 einen Schnitt durch eine Druckmeßzelle, die aus dem Energiewandler gemäß Fig= 10 herges slit ist;

Fig. 13 eine perspektivische und schematische Darstellung eines Bourdonrohres, das mit einer Aufzeichnungseinrichtung versehen ist und über einen Energiewandler gemäß der Erfindung verfügt;

Fig. 14 einen Schnitt durch einen temperaturkompensierten Energiewandler nach der Erfindung;

009826/1462

Fig. 15 einen Schnitt entlang der Linie 15-15 in Fig. 145

Fig. 16 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen temperaturkorapensierten Energiewandler hoher Ausgangsleistung;

Fig. 17 einen Querschnitt durch einen anderen temperaturkompensierten Energiewandler hoher Ausgangsleistung nach der Erfindung;

Fig. 18 eine graphische Darstellung des Hystereseverhaltens eines aus dem Widerstandselement nach der Erfindung hergestellten Energiewandlers;

Fig. 19 eine graphische Darstellung der Empfindlichkeit oder Widerstandsänderung pro Einheit der einwirkenden Kraft bei einer Vielzahl von erfindungsgemäß hergestellten Widerstandselementen;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Empfindlichkeit oder Widerstandsänderung pro Änderung der Längeneinheit bei einer Vielzahl von erfindungsgemäß hergestellten Widerstandselementen;

Fig. 21 eine perspektivische Darstellung eines Energiewandlers mit gesteuerten Widerstandscharakteristika gemäß der Erfindung;

009826/ U62

Fig. 22 einen Querschnitt durch einen weiteren Energiewandler mit gesteuerten Widerstandscharakteristika gemäß der Erfindung;

Fig. 23 in 2Ofacher Vergrößerung eine Mikrofotografie eines Schnittes durch ein überzogenes netzförmiges Widerstandselement aus Polyurethanschaum nach der Erfindung; .

Fig. 24 in loofacher Vergrößerung eine Mikrofotografie eines Querschnittes durch eine der verbindenden Fasern des Widerstandselementes nach Fig. 23;

Fig. 25 in 2oofacher Vergrößerung einen Teil des Querschnittes durch eine Faser gemäß Fig. 24 wobei der leitfähige Überzug zu sehen ist, und

Fig. 26 in 5ooofacher Vergrößerung eine Mikrofotografie, und zwar senkrecht auf die Oberfläche des leitfähigen Überzugs und auf eine solche verbindende Fasern, wie sie in Fig. 25 gezeigt ist.

Die Erfindung umfaßt ein Widerstandselement und ein Verfahren zur Herstellung von leitfähigem Material, wobei das Widerstandselement ein elastisches Material aufweist, das einen fortschreitend zusammendrückbaren Aufbau besitzt, der wenigstens einen untereinander verbundenen Teil aufweist und der

nut· einem nichtbrüchigen, elektrisch leitfähigen Material überzogen ist. Bei einer Ausführungsform bildet das leitfähige Material einen Stromweg durch das erwähnte Widerstands element. Es hat sich herausgestellt, daß durch die Verwendung von erfindungsgemäßen Widerstandselementen in preiswerten Umwandlern viele der bei bisher verwendeten, billigen Umwandlern auftretenden Schwierigkeiten vermieden und viele Vorteile erzielt werden.

Gemäß der Erfindung kann das elastische Material aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden und in vielen verschiedenen Ausbildungen vorliegen. Das elektrisch leit-■ fällige Überzugs- oder Beschichtungsmaterial darf nicht hrüuMg sein und muß vor allen Dingen fest an dem elastischen Material anhaften. Ein wesentliches Merkmal dei- Erfindung; besteht" darin, daß die Zusammensetzung des leitfähigen Beschiehtungsmateriais der Umgebung angepaßt werden kann, in der es zur Verwendung gelangen-soll. Die Leitfähigkeit des leitfähigen Überzugs und der Grad ihres Einflusses auf die Elastizität des.elastischen Materials werden unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit des Systems gewählt, mit dem es ein zusammengesetztes Teil bilden soll. Wenn .beispielsweise hohe Empfindlichkeit gefordert wird, ist die Leit-

00002671462 ■

BAD ORIGINAL

fähigkeit vergleichsweise gering, und der Überzug übt geringen oder keinen Einfluß auf das elastische Verhalten des elastischen Materials aus.

Das Erfordernis, daß das leitfähige Überzugs- oder Beschichtungsmaterial an wenigstens einem Teil des untereinander verbundenen Teils eines Aufbaus anhaften muß, der die Fähigkeit zu einer progressiven Volumenverringerung, oder -vergrößerung bei Druck bzw. Zug aufweist, kann besser in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 1 und 2 verstanden werden.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform eines Widerstandselementes in entspanntem Zustand, das zum Zwecke der Erläuterung des Erfindungsgedankens ausgewählt wurde. Das Element weist einen zellartigen oder zellenaufweisenden Schaum auf, mit ZeI!wandungen 13 der untereinanderverbundenen Zellen 12, die mit einem leitfähigen Überzug 15 versehen oder verbunden sind. Der Aufbau oder die Struktur nach Fig. 1 wird gemäß Fig. 2 elastisch busammengedrückt, wodurch die Zellwandungen 13 der entspannten Struktur zusammengedrückt werden, so daß der Raum in jeder Zelle 12 sich ebenso wie das Verhältnis von nichtausgefülltem zu festem Raum in dem zellenförmigen Element verringert.

009826/ U62

Es ist augenscheinlich, daß diese Verringerung von leerem oder nicht ausgefülltem Raum mit der Kompression des zellenaufweisenden Elementes fortschreitend zunimmt. Wenn der leitfähige Überzug 15 an den Zellwandungen 13 gemäß der Erfindung anhaftet, verringert die bei Kompression vorliegende stärkere Annäherung der Flächen des leitfähigen Überzugs 15 die Länge des Stromweges und somit den elektrischen Widerstand. Der leitfähige Überzug 15 gibt mit der Bewegung der Zellwandungen 13 nach, da er nicht brüchig, jedoch anhaftend ist. Es ist nicht erforderlich, daß der leitfähige Überzug 15 ebenso elastisch ist, wie das Material der Zellwandungen 13, da eine feste Bindung des Überzugs an die elastischaiZellwandungen 13 eine elastische Bewegung des gesamten Aufbaus sicherstellt. Bei Entspannung des Schaums entsprechend Fig. 2 öffnen sich die Zellen fortschreitend, und der elektrische Widerstand vergrößert sich solange, bis der entspannte Zustand nach Fig. 1 erreicht ist. Eine Dehnung oder Streckung des entspannten Aufbaus nach Fig. 1 bewirkt ein weiteres Anwachsen des Widerstandes. Auf diese Weise ist das Widerstandselement gleichermaßen sowohl zur Messung von Zug- und Druckkräften geeignet.

000826/1462

DAS ELASTISCHE MATERIAL

In den Fig. 1 und 2 wurde zum Zweck der Erläuterung ein zelliger Aufbau, wie er bei einem elastischen Schaum vorliegt, dargestellt. Es sind jedoch auch zahlreiche andere Materialien und Werkstoffkonfigurationen zur Ausführung der Erfindung geeignet. Einziges Erfordernis ist, daß der untereinander verbundene und an dem leitfähigen Überzug anhaftende Teil des elastischen Materials sich fortschiatend in Abhängigkeit von der Verformung oder Ausdehnung des elastischen Mete-rials zusammenzieht oder ausdehnt. Befriedigende elastische Materialien sind auch solche, zu deren Charakteristika ein hohes Federungsvermögen (niedriger Elastizitätsmodul) oder hoher Elastizitätsmodul, jedoch mit stark federnder Formgebung, gehören.

Gemäß Fig. 3 weist ein elastisches Material einen porösen Körper aus kleinen unregelmäßig geformten Teilchen 26 auf, die an Spitzen oder kleinen Kontaktflächen 28 zusammengehalten sind. Ein leitfähiges Element wird nach einen Verfahren* dadurch vorbereitet, daß zuerst die Kontaktflächen dureh einleitendes Beschichten bzw. Überziehen der Teil-

009826/146 2

chen mit einem Bindemittel überzogen und anschließend bis zum Erreichen des gewünschten Porositätsgrades zusammengefügt werden. Der Porositätsgrad hängt ab von der erforderlichen Größe der Leerräume 22. Die verbundene poröse Masse wird dann mit einem leitfähigen Überzugs- oder Besehiehtungsmaterial 25 getränkt, das sich an die die Leerräume 22 bildenden freien Oberflächen anlagert. Andererseits kann, das für das einleitende Überziehen bzw. Beschichtung der Teilchen verwendete Bindemittel ebenso als leitfälliger Überzug dienen, soweit eine befriedigende Bindung mit dem leitfähigen Über 2sug an den Kontakt flächen erreicht werden kamt» Bei KO'Eipressioia der porösen Masse wird der leitfähig© Überzug stou ill progressives Schließen von Leerräumea 22 lifeer größere Flächen in.einen engeren Kontakt gebracht, wodurch-eine laöerung i@s elektrischen Widerstandes "bewirkt wlr-du

Ifaets Fig* 4 weist ein weiterer porös©!"⁵ Körper eins® Vielsalil von lionlen Kugeln 36 auf, die an ihren !©niellisislien 38 mit-einandep v@rbun<äen sind" und die -Lerräume 32 bilden., v/o bei. auf ä®m Kugeln. S6 ein 1© it fähiger Überzug 35 tTörhanden- ist» Anstelle von hohlen, federnden Kugeln kann üsim VJiderstandselement nacb. Fig.. 4 feste Kugeln ans federndem Material aufweisen, die'au einer perössn Masse vereinigt" sind, -ähnlich dem Körper aus unregelmäßigen

0 Q ß 9 2 ß / 1 4 g 2 - BAD

Teilchen nach Fig. 3. Weiterhin kann der Körper eine Vielzahl von Kugeln oder unregelmäßigen Formen aus Schwammgummi aufweisen, die an ihren Kontaktspitzen verbunden sind» Zusätzlich zu den Kugeln bilden zylindrische Formen oder Ellipsoide, gestreckte Sphäroide usw., die wahllos in einer porösen Masse angeordnet und an ihren Kontaktstellen verbunden sind, ein geeignetes Material.

Entsprechend Fig. 5 bilden vermischte Fasern, Fäden, Flocken oder Schalen 46 eine starke, elastische, faserige Einheit mit Leerräumen 42. Zur Bildung eines dreidimensionalen Netzwerkes, das eine elastische Bewegung ausführen kann, die für das elastische Material nach der Erfindung erforderlich ist, sind die Fäden oder Flocken 46 üh«*r ihre Länge entweder durch chemische Bindung mit Hilfe t^ron Sekundärkräften oder mittels mechanischer Verflechtungen zusammengeschlossen. Eine große Anzahl von zufällig angeordneten bzw. orientierten Stahldrähten kann mit Hilfe mechanischer Verflechtung miteinander verbunden werden. An erster Stelle wird durch Überziehen der Fasern mit einer Latexlösung oder einem anderen Bindemittel, eine chemische Bindung zum Verknüpfen der Fasern verwendet. Zusätzlich zu Stahldraht sind zahlreiche andere Fasermaterialien verwendbar.

6/1462 SAÖ

Zum Beispiel ergeben mit einer Latexlösung beschichtete Schweineborsten ein elastisches Material mit ausgezeichnetem Federungsvermögen.

Bei einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul kann eine Vielzahl von Konfigurationen das hohe Federungsvermögen hervorrufen, das zur Ausführung der Erfindung erforderlich ist. In Fig. 6 weist ein Metall eine Vielzahl von überlappenden Teilen von abwechselnd flachen Schichten und gewellten Schichten 67 auf, wobei die Wände der gewellten Schichten Zellen 62 bilden, die eine mit der Entfernung von der Kontaktstelle der gewellten Schicht 67 und der flachen Schicht 66 wachsende Querschnittsfläche aufweisen. Der am Schnittpunkt der flachen Schichten 66 und den gewellten Schichten 67 eingeschlossene Winkel sollte vergleichsweise gering sein, um ein progressives Schließen oder Öffnen der Zellen 22 bei Druck oder Zug zu gewährleisten.

Entsprechend Fig. 7 besteht eine Modifikation des Gegenstandes der Fig. 6 aus einer Metallfolie mit einer Vielzahl von überlappenden Teilen 74, die aufeinandergeschichtete Zellen 72 bilden, deren Tiefe mit der Ent-

9826/146

fernung von der Stelle des Kontaktes 71 mit der angrenzenden Zelle wächst. Ein Teil der Metallinnenseite der Zellen 72 ist geprägt, so daß ein leichter Kontakt bei progressivem Schließen oder öffnen der Zellen 22 bei Druck bzw. Ausdehnung des elastischen Körpers gewährleistet ist,

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der elastische Körper lediglich eine Anzahl von übereinander geschichteten, geprägten oder ausgebuckelten Platten oder Lamellen aufweisen, die an den Kontaktstellen mit ihren benachbarten Lamellen verbunden sind. In Fig. 8 sind übereinandergelagerte Lamellen 76 mit ausgebuckelten Teilen 77 so angeordnet, daß der ausgebuckelte Teil 77 einen flachen Teil einer unteren, benachbarten Lamelle an der Kontaktstelle berührt. Durch den Abstand zwischen dem ausgebuckelten Teil und dem flachen Teil einer oberen benachbarten Lamelle werden Zellen 79 gebildet. Da die übereinander gestapelten Lamellen in Fig. 8 nicht kontinuierlich sind, ist nur die Unterseite dieser Lamellen mit leitfähigem Material überzogen. Der Stromweg ändert sich, wenn sich die Kontaktstellen progressiv bei Druck auf den Körper vergrößerrio Ein anderes dem Gegenstand der Fig. 8 ähnliches Widerstandselement kann durch Verwendung von abwechselnd gewellten und flachen Lamellen anstelle der kontinuierlichen

BAD ORIGINAL 0098 2.S/U62

Metallfolie nach Fig. 6 hergestellt werden.

Andererseits kann der Aufbau nach Fig. 8 durch gegenseitiges Verbinden der Lamellen kontinuierlich ausgebildet werden, wie dies in den Figuren 6 und 7 dargestellt ist. Im letzteren Fall wird eine erste Isolierschicht, die schon durch Oxydation des Metalls gebildet werden kann, mit einem fest anhaftenden leitfähigen Überzug bedeckt.

Bei den elastischen Materialien nach Fig. 1 bis 8 weist ein untereinander verbundener, zusammenärückbarer Aufbau eine Vielzahl von .'-ZeiieinMteia auf», die in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft sich fortschreitend "zusammendrücken lassen oier: sich ausdehnen. Die Verwendung einer Vielzahl von Zellen, aler-oa jede ' sich fortschreitend mit 2ug oder Druck öffnet bzw. setLLießty ergibt eine hervorragende Betriebssicherheit im Vergleich su einer Ausbildung, in der zum Beispiel eine eiiaselne, "größere, zusammendrückbar® Zelle verwendet wird.

Der in dem-vielzelligen-'Auf bau'erzielte Effekt kann in- einem jMftoara der letsterea Art erzeugt werden,'wobei--.jeder Teil, der- die Fähigkeit hat, sich in Abhängigkeit von der aufgetopseiiten !Craft 'fortschreitend zn öffnen oder zu schließen, €3,& geeam't© JLäEig® des Ifiderstandselesaentes durchläuft.

CÖS32S/i4i2 ^; bad ORIGINAL

Entsprechend Fig« 9 ist eine Vielzahl von Federn 52 mit sich ändernder Steigung im gegenseitigem Abstand voneinander vorgesehen. Jede Windung 56 einer Feder 52 ist von ihrer benachbarten Windung in einem Abstand angeordnet, der sich von einem zum anderen Ende der Feder verringert. Zum Beispiel ist der Abstand zwischen den Windungen 56 A und 56 B größer als der zwischen den Windungen 56 B und 56 C. Durch die Verwendung einer sich ändernden Steigung ist bei Druck auf die Feder 52 eine fortschreitende Berührung von benachbarten Windungen gesichert. Bei Anfangsdruck berühren sich die sehr nahe beieinanderliegenden Whdungen, und ά±& progressive Berührung setzt sich fort als eine Funktion des Windungsabstandes, sobald die ersten bzw. die unteren Windungen sich vollständig berühren. Bei Nachlassen des Druckes setzt eine fortschreitende öffnung der Federn ein. Nachdem die Windungen unterhalb der Windung 56 C der Feder 52 in Fig. 9 voll miteinander in Eingriff stehen, legt sich der Umfang der Windung 56 C fortschreitend an den Umfang der Windung 56 B an. Sobald sich die Windungen 56 C und 56 B vollständig berühren, beginnt die Windung 56 B sich fortschreitend an dem Umfang der Windung 56 A anzulegen. Sofern gemäß der Erfindung ein leitfähiger Oberzug 55 auf den Windungen der Federn 52 angebracht ist, wird der elektrische Weg

009826/U62

bei Kompression der Federn 52 zunehmend verkürzt und der elektrische Widerstand nimmt ab. Für den praktischen Betrieb sind die Federn 52 durch nicht dargestellte Mittel elektrisch verbunden. Die Federn können aus einem elektrischen Leiter, zum Beispiel Stahl, oder aus einem Isolator, zum Beispiel Fiberglas, angefertigt sein.

Wenn die Gebilde nach den Figuren 5, 6, 7 und 9 aus Metall bestehen, wird ein anhaftender leitfähiger Überzug mit gegenüber dem Metall hohem Widerstand verwendet. Auf diese Weise sind Dimensionsänderungen des elastischen Materials; die den Widerstand des Widerstandselementes bestimmen, gut erkennbar. Wenn die leitfähige Schicht einen Stromweg durch den Aufbau bilden kann, wird eine erste Isolierschicht auf das Metall aufgebracht. Sodann wird der leitfähige Überzug auf die erste Isolierschicht aufgetragen. Sofern die Konfigurationen der Fig. 1 bis 5 NichtMter sind, kann elektrisch leitfähiges Material in den Nichtleiter eingebaut werden. In den meisten Fällen wird der Anteil an elektrisch leitfähigem Material gering sein, um die elastischen Eigenschaften des Nichtleiters nicht gegenteilig zu beeinflussen. In jedem Fall muß auf den Nichtleiter ein anhaftender, leitfähiger Überzug aufgetragen werden*

0 09 8 2&/

Wird für das elastische Material nach den Fig.l und 2 ein Körper aus elastomerem Schaum verwendet, zeigen die handelsüblichen Elastomerschäume aus Silikongummi, die als Silastic KTV Silikongummi (Warenzeichen der Dow. Corning Corporation) und RTV 7 Silikongummi (Warenzeichen der General Electric Company) bekannt sind, gute Eigebnisse. Die wichtigste Forderung an die nichtleitenden Schäume ist die, daß die Zellen derart miteinander verbunden sind, daß ein elektrischer Weg bei Aufbringung des leitfähigen Überzugs erzielbar ist. Ein Schaum mit gesteuerter Zellengröße ist auf einfache Weise herzustellen, indem man entsprechende Mengen von Elastomer und Zucker- oder Salzkristallen oder anderen löslichen Kristallen mit vorbestimmter gleichmäßiger Größe miteinander mischt. Sobald der Gummi ausgehärtet ist, wird das kristalline Material herausgelöst, so daß ein Schaumkörper zurückbleibt. Gleichermaßen kann auch ein durch Wärme zersetzbares Material verwendet werden, um die endgülte Lage der Zellen in dem Schaumkörper festzulegen. Durch eine Handbearbeitung des Schaumes werden genügend Zellwandungen zerstört, so daß die für einen Stromweg erforderliche Verbindung geschaffen wird.

0098 26/1462

Ein brauchbarer Körper aus Elastomerschaum umfaßt einen
Skelettschaum aus einem ersten federnden Material, das
gleichmäßig mit einem zweiten federnden Material überzogen und imprägniert ist. Der auf diese Weise gebildete zusammengesetzte Schaum wird verwendet, wenn ein Schaumwerkstoff wegen seiner Eigenschaften, wie zum Beispiel Federungsvermögen oder Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Angriff, gefordert wird, jedoch mit einer gleichmäßigen Zellengröße nicht handelsüblich ist. Beispielsweise prädestinieren die Eigenschaften von Silikongummi dieses Material als Schaumwerkstoff. Oft ist dieser Silikongummi als Schaum mit einer gleichmäßigen Zellgröße nicht erhältlich. Es hat sich herausgestellt, daß ein geeigneter, zusammengesetzter Schaum aus einem handelsüblichen Polyurethanschaum mit gleichmäßiger Zellgröße zu gewinnen ist, dessen Poren mit dem 3 bis
4fachen seines Gewichtes mit Silikongummi beschichtet sind. Diese Zusammensetzung zeigt ein besseres Federungsvermögen und bessere Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Angriff als ein Polyurethanschaum allein, und ebenso eine gleichmäßigere Größe der Zellen als Silikongumme allein. Um den erwähnten zusammengesetzten Schaum herzustellen, wird
Polyurethänschaum mit einer Lösung einer Silikon-Essigsäureanhydrid - Xylol Mischung getränkt. Das Xylol wird mit dem

982671462

Essigsäure-Anhydrid entfernt, und der Silikonkautschuk vulkanisiert lokal um das Polyurethanskelett.

DER LEITFÄHIGE ÜBERZUG

Wie vorstehend erläutert wurde, muß der leitfähige Überzug nach der Erfindung folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Er muß an dem elastischen Material anhaften oder eine feste Bindung mit ihm eingehen;

2. er darf nicht brüchig sin und

3. er muß elektrisch leitfähig sein.

Bei der Herstellung des leitfähigen Elementes, wird das elastische Material in der Regel in eine Lösung für den leitfähigen Überzug eingetaucht. Ist es infolge der Form des elastischen Materials erforderlich, wird die Tränkung durch Kapillarwirkung bewerkstelligt und kann durch Aufbringen eines Vakuums unterstützt werden. Ein zufriedenstellender leitfähiger Überzug weist ein mit einem teilchenförmigen elektrischen Leiter kombiniertes Elastomer auf.

Es kann eine Vielzahl von Elastomeren und elektrischen Leitern verwendet werden. Beispielsweise können Elastomere RTV (raumtemperaturvulkanisierbaren) SiIikonkautschuk, Naturkauts chuk-Latex, Polyurethankautschuk etcο einschließen» Ein befriedigender RTV-Silikonkautschuk ist "Clear Seal" (Warenzeichen der General Electric Comp.)· Elektrisch leitfähige Materialien umfassen ganz oder teilweise graphitisieren Kohlenstoff, Silber, Gold, Kupfer, Wolfram, Aluminium und verschiedene Metalle und Legierungen, allein oder in Kombination miteinander. Ein Beispiel für ein befriedigendes elektrisch leitfähiges Material aus Kohlenstoff ist "Conductex SC" (Warenzeichen der Columbia Carbon Corporation)» Conductex SC ist ein schwarzer Kohlenstoff, dessen Teilchen einen mittleren Durchmesser von 170 Angström aufweisen« Solch äußerst feine Teilchen, sind zweckmäßig, weil sie das Erzielen einer gleichmäßigeren leitfähigen Oberfläche ermöglichen.

Ein anderer wichtiger Gesichtspunkt für die Herstellung des leitfähigen Überzugs gemäß dieser Erfindung ist das Trachten nach einer im wesentlichen glatten Außenfläche des Überzugs. Es dürfen keine spröden leitfähigen Faserenden über einen gewissen Abstand aus der Oberfläche herausragen, weil diese während der Kompression oder Dehnung des Widerstands-

009826/1462 -

elementes abbrechen körnten. Auch sind die leitfähigen Teilchen an der Oberfläche nicht bloß gebunden, da sie dort während der Verformung abgeschert werden könnten. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die leitfähigen Teilchen, die in der Regel sehr feinkörnig sind, überwiegend, wenn auch nicht vollständig, in der Uberzugsflache derart eingebettet, daß sie nicht abbrechen oder abgeschert werden können. Dadurch wird es möglich, daß die Widerstandselemente nach der Erfindung für längere Zeiträume zu verwenden sind, ohne daß sich eine bedeutende Änderung der Widerstandswerte oder der Linearität ergibt.

Die Menge an in dem leitfähigen Überzug verwendetem elektrisch leitfähigem Material oder ihre "Belastung¹¹ und die Menge von auf den elastischen Körper aufgebrachter Beschichtung wird von den im Endprodukt gewünschten elektrischen Kenngrößen und mechanischen Eigenschaften vorgeschrieben. Unter elektrischen Kenngrößen und mechanischen Eigenschaften ist die Empfindlichkeit des Widerstandselementes oder die Widerstandsänderung pro Längeneinheit oder Kraft und sowohl das Hystereseverhalten des Widerstandselementes als auch der effektive Widerstand des Widerstandselementes in seinem entspannten Zustand zu verstehen.

00 9826/ 1462

Wenn beispielsweise das Widerstandselement als Energiewandler zur Messung eines vergleichsweise hohen Druckes herangezogen werden soll, liegt es auf der Hand, ein Element mit vergleichsweise hohem Modul zu verwenden. Sind die Drücke hingegen niedrig, ist ein Element mit niedrigem Modul und einem breiten Widerstandsbereich erwünscht,, um geringe Änderungen der Umgebung feststellen zu können.

Der Widerstand des 'leitfähigen Überzugs kann gut durch die verwendete Menge und ebensogut durch ihre "Belastung" gesteuert werden. Der Modul des elastischen Materials kann durch die Menge der verwendeten Beschichtung beeinflußt werden. Die Einwirkung des leitfähigen Überzugs auf den Modul des elastischen Materials hängt bis zu einem gewissen Grad von der Natur des elastischen Materials ab. Diese Auswirkung zeigt sich stärker im Falle eines Materials mit niedrigem Modul, zum Beispiel bei Elastomerschaum, als im Falle eines Materials mit hohem Modul, zum Beispiel bei einer Metallfeder. Beim Bemessen der Eigenschaften des Widerstandselementes entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung, wird sich beim Einstellen der variablen "Belastung" und Menge der Beschichtung eine Überschneidung ergeben. Bei einer gegebenen "Belastung" des elektrisch leitenden Materials in*dem Überzug vergrößert eine noch

00 9826/U6

■ ³¹ ■ " ' 1952B78

größere Menge an Überzügsmaterial den Modul und verringert außerdem den Widerstand, da der in den Widerstandselement vorhandene effektive Betrag an elektrisch leitfähigem Material vergrößert wird. Wenn ein höherer Modul bei hohem Widerstand gewünscht wird, muß die "Belastung" der Schicht verkleinert werden. Zur Erzielung eines geringen Moduls in Verbindung mit kleinem Widerstand muß die "Belastung" der leitfähigen Beschichtung vergrößert werden. Die gegenseitige Beziehung der Variablen, die beim Bemessen der leitenden Schicht Eingestellt werden, wird bei einem Studium der folgenden Beispiele deutlicher.

HERSTELLUNG EINES LEITFÄHIGEN ÜBERZUGS

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer leitfähigen Schicht umfaßt die Bildung einer Dispersion aus teilchenförmigen!, elektrisch leitfähigem Material in einer ein elastisches Material enthaltenden Flüssigkeit. Auf diese Weise hergestellte leitfähige Schichten bzw» Überzüge sind für die erfindungsgemäßen Widerstandselemente gut geeignet.

0 98 26/14 6 2

Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung eines elastischen, nichtbrüchigen, leitfähigen Überzuges umfaßt folgende Verfahrensschritte:

a) Erhitzen der leitfähigen Teilchen im Vakuum, um Verunreinigungen zu beseitigen;

b) Abkühlung der leitfähigen Teilchen auf eine vorbestimmte Temperatur, die zur Verdampfung einer ausgewählten Flüssigkeit zu gering ist;

c) Hinzufügen einer bei dieser Temperatur nicht verdampfenden Flüssigkeit zu den leitfähigen Teilchen, um eine Paste zu bilden;

d) Hinzufügen eines fließfähigen elastischen Materials in diese Paste, um eine leitfähige Zusammensetzung bzw. Gemisch herzustellen;

e) Mischungcer leitfähigen Zusammensetzung zwecks gleichmäßiger Verteilung der leitfähigen Teilchen in diesem Gemisch und

f) Hinzufügen eines Katalysators in die durchmischte Zusammensetzung, um die Vernetzung des elastischen Materials zu fördern.

Im allgemeinen nimmt das endgültige Überzugsgemisch eine dicke, pastose Konsistenz an und ist daher schwierig in die

009826/1 46

ι ■

inneren zellenaufweisenden Bereiche einer elastischen porösen Nasse hineinzuarbeiten. Um das Eindringen in diese inneren zellenförmigen Bereiche zu erleichtern, ist es angebracht, eine größere Menge an Flüssigkeit, vorzugsweise der gleichen, wie der zur Herstellung der leitfähigen Teilchen-Paste verwendeten, dem Gemisch zuzufügen. Diese Flüssigkeit wird vorzugsweise nach dem Mischen beigegeben, wenn die Teilchen
gleichmäßig verteilt sind. Die Flüssigkeit dient zur
Verringerung der Viskosität des endgültigen Beschichtungsmaterials, das dadurch im wesentlichen in alle offenen, zellenförmigen Bereiche gut eindringen kann,

In der Regel beträgt die Menge der leitfähigen Teilchen etwa 10 bis 25 Prozent des Beschichtungsvolumens, Werden Kohlenstoff teilchen verwendet, kann deren Anteil ungefähr 20 bis 50% des Gewichtes des Überzugsmaterials betragen. Es hat sich herausgestellt, daß dann, wenn das Überzugsmaterial eine sehr geringe Menge an leitfähigen Teilchen aufweist, die gewünschten Widerstandsscharakteristika nicht entstehen, und daß andererseits die Elastizität des Überzuges verringert
wird, daß das Element als Ganzes in unerwünschter\\eise beeinflußt wird, falls das Überzugsmaterial zu wenig Teilchen enthält. Daher muß die Menge an leitfähigen Teilchen in dem

00 98 26/ US2

Überzug (auch als "Belastung" bezeichnet) innerhalb gewisser vorgeschriebener Bereiche liegen, um zweckmäßig zu sein.

Der flüssige Träger für das elastische Material ist entweder ein Lösungsmittel oder ein Emulgator, Bei dem bevorzugten Verfahren wird ein LosungsmitteLvvie Naphta, Xylol oder andere aromatische Kohlenwasserstoffe, verwendet. Die Gesamtmenge des verwendeten Lösungsmittels wird von der gewünschten Überzugsmenge für den jeweiligen Anwendungsfall vorgeschrieben. Größere Lösungsmittelmengen bewirken eine stärkere Verdünnung oder geringere Überzugsmenge nach dem Austreiben des Lösungsmittels» Nachdem der Überzug auf dem elastischen Körper aufgebracht ist, wird das Lösungsmittel durch mäßiges Erwärmen ausgetrieben.

Bei Verwendung eines Emulgators folgt eine Behandlung, die der für das Lösungsmittel beschriebenen gleichartig ist« In diesem Fall wird jedoch fein zerteiltes elastisches Material mit einem Emulgator gemischte Die ein elastisches Material enthaltende Flüssigkeit wird dann mit einer anderen gemischt, die eine Dispersion von elektrischJleitfähigem Material enthält.

00 98 26/ ΊΑ6.2

Anstelle der Mischung jeder der Komponenten des leitfähigen Überzugs alleine für sich mit einem Lösungsmittel vor dem darauffolgenden Vermischen, ist es oftmals würsehenswert, sämtliche Komponente mit einem Lösungsmittel in einer Partie zu vermischen. Dieses Verfahren ist noch vorteilhafter, wenn es zusammen mit dem Mahlen mittels einer Kugelmühle verwendet wird. Das letztere Verfahren gewährleistet eine sehr kleine Parükelgröße des Kohlenstoffs und unterstützt eine gleichmäßige Dispersion desselben bei der Herstellung eines Widerstandselementes. Die leitfähige Schicht sollte sobald als möglich nach dem Mischen auf das elastische Material aufgebracht werden, bevor die Vernetzung des elastischen Materials beendet ist» Es scheint, als haben Wxderstandseleraente, die entsprechend dem vorangegangenen Verfahren hergestellt wurden, verbesserte Eigenschaften gegenüber denen, die mit Überzugsmaterial versehen wurden, welches anhand von getrennten Mischungsschritten gewonnen wurde.

HERSTELLUNG EINES WIDERSTANDSELEMENTES

Oftmals, insbesondere wenn die Struktur nach den Figuren 5 bis 9 aus Metall bestehen, wird die elastische Struktur bzw. der Aufbau durch bloßes Eintauchen in leitfähiges Überzugs-

009826.7 1462

material beschichtet. Wenn jedoch der elastische Aufbau aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus verbindenden Fasern besteht und im wesentlichen nur vollständig offene Zellen aufweist, wie bei netzförmigem Elastomerschaum, ist es oftmals schwierig, ein vollständiges Eindringen des Überzugsmaterials zu erreichen und gleichzeitig ein Verstopfen der Poren zu verhindern. Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten dient vorzugsweise das durch die folgenden Schritte bestimmte Verfahren der Aufbringung des Überzugs gemäß der Erfindung:

a) Aufbringen eines fließfähigen, nichtbrüchigen, leitfähigen Überzugs auf mindestens einen Teil der Außenfläche des Netzwerkes, wobei der Überzug ein elastisches Bindemittel und elektrisch leitfähige Teilchen aufweist, die in diesem feinverteilt sind, um eine möglichst glatte Außenfläche zu bilden, in der die leitfähigen Teilchen im wesentlichen, jedoch nicht vollständig, eingebettet sind;

b) Ausbreiten des Überzugs auf dem Netzwerk, bis der Überzug gleichmäßig über der Außenfläche des Netzwerks verteilt ist;

c) Zentrifugieren des Netzwerks zur Entfernung des überschüssigen Überzugmaterials und

d) Trocknen und Behandeln des überzogenen Netzwerkes zur Verfestigung des elastischen Bindemittels.

00982$/U62

Das Zentrifugieren ist deshalb wichtig, weil dadurch das überschüssige Überzugsmaterial beseitigt wird, das die Poren des Aufbaus verschließen könnte» Außerdem wird überschüssiges Uberzugsraaterial von den verbindenden Fasern selbst entfernt, so daß nur eine dünne Uberzugsschicht auf jeder Faser verbleibt. Es hat sich herausgestellt, daß der Überzug eine mittlere Dicke von etwa Q,05 bis 0,25 des Durchmessers des Skeletts haben muß und daß das Element, das aus dem Skelett mit dem anhaftenden Überzug besteht, weniger als 25% des Volumens innerhalb der äußeren Grenzen ausfüllen soll» Durch Einstellen der Zeit für das Zentrifugieren kann die Dicke des Überzugs innerhalb der gewünschten Grenzen gesteuert werden.

Wenn ein elastisches Material aus Elastomerschaum mit einer Vielzahl von untereinander verbundenen Zellen verwendet wird, kann die Tränkung schwierig werden, insbesondere wenn ein leitfähiger Überzug hoher Leitfähigkeit gewünscht wird. In letzterem Fall neigen die äußeren Zellen dazu, sich mit Überzugsmaterial hoher Viskosität zuzusetzen, das einen großen Prozentsatz an leitfähigem Material enthält. Versuche, größere Mengen von Lösungsmittel zu verwenden, um das leitfähige Überzugsmaterial aufzunehmen, führten zur Bildung von Mikrorissen bei der Verdampfung des Lösungs-

0 0 9 8 2 6/1402

mittels.

Es wurde gefunden, wenn das elastische Material ein Elastomer, zum Beispiel einen Silikonkautschuk - Schaum aufweist, daß dessen Vorbehandlung mit einem Lösungsmittel, zum Beispiel Naphtha, Xylol oder einem anderen aromatischen Kohlenwasserstoffs, die Verwendung von Überzügen hoher Leitfähigkeit gestattete

Entsprechend der Vorbehandlung wird ein Teil des Lösungsmittels, das zur Aufnahme des leitfähigen Beschichtungsmaterials verwendet wurde, zur Verwendung als Träger elimeniert und während der Vorbehandlung ersetzt. Das Elastomer wird in dem Lösungsmittel erweicht, bis es gesättigt ist. Bei der Herstellung eines Widerstandselementes aus einem elastischen Material von Elastomerschaum dient die Vorbehandlung dazu, den Schaum anzuquellen. Die auf diese Weise gebildeten größeren Poren ermöglichen ein leichteres Durchdringen des Schaums beim Imprägnieren mit leitfähigem Material, was unmittelbar an die Lösungsmittel - Vorbehandlung anschließt.

Es wurde gefunden, daß die Lösungsmittel-Vorbehandlung bezüglich der elektrischen Kenngrößen des Widerstandselementes und auch dessen mechanischer Eigenschaften

00 93 26/146

Vorteile erbringt. Der erste Vorteil findet Anwendung bei der Herstellung von Widerstandselementen aus Elastomerschaum, während der letztere sogar größere Anwendung findet.

Im Hinblick auf die elektrischen Kenngrößen erbringt die Beseitigung eines Teils des Lösungsmittels aus dem leitfähigen Beschichtungsmaterial eine Mischung mit pastöser Konsistenz. Infolge des verringerten Lösungsmittelsbedarfs können größere Mengen des Überzugsraaterials verwendet werden, um einen besser wirksamen Kohlenstoffanteil herzustellen, im Vergleich zu dem bisher ohne Vorbehandlung erhältlichen Produkt. Bisher begrenzte das Erfordernis eines hohen Lösungsmittelanteils die Menge des verwendbaren Uberzugsmaterials, was eine verstärkte Belastung des leitfähigen. Materials in dem Überzug erforderte, um größere Leitfähigkeit zu erreichen. Es ist augenscheinlich, daß mit der Lösungsmittelvorbehandlung Überzüge höherer Leitfähigkeit mit verringertem Anteil an leitfähigem Material hergestellt werden können.

Die Vorzüge der Vorbehandlung bezüglich der mechanischen Eigenschaften richten sich auf das Zusammenwirken von leitfähigem Überzug mit der Elastomerwandung. Der erzielte Vorteil macht die Vorbehandlung zur Herstellung von tfider-

0 0 9 8 26 / U 6 2

- ⁴⁰ - 1952878

standselementen aus Zusammensetzungen sowohl von festem Elastomer und leitfähiger Beschichtung, als auch aus einem Elastomerschaum empfehlenswerte

Das zur Vorbehandlung verwendete Lösungsmittel verdampft augenscheinlich nicht vor der Vulkanisation des Elastomers der leitfähigen Beschichtung und verringert hierdurch die Möglichkeit von Mikrorissen auf ein Minimum. Die verringerte Menge an Lösungsmittel, das als Träger für die leitfähige Schicht erforderiich ist, verringert ebenfalls die Möglichkeit von Mikrorissen von dieser Seite aus» Ein anderer die mechanischen Eigenschaften betreffender überraschender Vorteil ergibt sich durch die Verdampfung des absorbierten Lösungsmittels. Der Elastoraerkörper schrumpft zusammen, komprimiert den Überzug und gibt diesem tatsächlich eine Vorspannung. Wie oben ausgeführt wurde, macht der letztere Vorteil den Vorbehandlungsprozess besonders für Widerstandselemente brauchbar, die eine feste elastische Unterlage aufweisen, die mit einem leitfähigen Überzug versehen ist, wobei ein Ausdehnen oder Zusammenziehen dieser Kombination bewirkt, daß sich der Widerstand des ieitfähigen Überzugsproportional ändert.

0098 26/U62

DER ENERGIEVANDLER

Venn das elastische Material, .wie in Figo 6, 7 oder 8, ein Metall ist, wird ein Energiewandler dadurch hergestellt, daß elektrische Leiter an den oberen und unteren Metallteilen angebracht werden, und daß das Widerstandselement in einem entsprechenden elektrischen Stromkreis angeordnet wird. Bei dem zum Zwecke der Darstellung in Fig. 10 ausgewählten Ausführüngsbeispiel weist ein elastischer Schaumkörper 80 einen in sich verbundenen zellförmigen Teil 82 auf, der mit einer leitfähigen Schicht 85 überzogen ist» Obgleich in Fig. ein elastisches Material aus nichtleitendem Schaum gezeigt ist, ist dies nicht als Beschränkung hierauf zu verstehen. Jedes der elastischen Materialien nach Fig. 3 bis 5 oder 9 kann verwendet werden. An den Längsenden des Schaumkörpers 80 sind Kontakte 89 mittels eines elektrisch leitfähigen Kittes befestigt. Ein zufriedenstellender Kitt weist gleiche Volumen?· anteile eines Lösungsmittels mit Kitt, der beim Trocknen schrumpft, und einer Mischung von Silberschu|»pen und Silberpulver auf. In der US-Patentschrift 2.774.747 ist ein typischer leitfähiger Kitt beschrieben. Die an den Kontakten 89 befestigten Leiter verbinden den Energiewandler 84 mit einem elektrischen Stromkreis, der eine Stromquelle und eine

0*267U$2

1952878

elektrische Aufzeichnungsvorrichtung aufweist» Wenn, wie in Verbindung mit den Pig» 1 und 2 dargelegt ist, der Schaum80 infolge einer auf ihn gerichteten physikalischen Kraft seine Dimensionen ändert, ergibt sich eine entsprechende Änderung im Stromweg oder elektrischen Widerstand, der mittels der elektrischen Aufzeichnungsvorrichtung gemessen wird«

Obgleich, wie gemäß FIg₀ 10, ein elastisches Material alleine Verwendung finden kann, wird durch die zusätzliche Heranziehung eines festen elastischen Materials, wie zum Beispiel Vollgummi! ein Teil der Spannung aufgenommen. Zusätzlich kann der Schaum 80 nach Fig. 10 nur bis zu einer bestimmten Tiefe getränkt sein, so daß nur ein Teil von ihm axial mit leitfähigem Material durchsetzt ist.

Gemäß Fig. 11 nimmt der Axialkern 96 des Schaumkörpers 90, der an den untereinander verbundenen Zellwandungen eine leitfähige Schicht aufweist, ein festes elastisches Material auf. Nicht dargestellte Kontakte sind an den Enden des zusammengesetzten Körpers befestigt, wie dies in Verbindung mit Fig. 10 beschrieben ist. Das feste elastische Material nach Fig. 11 kann Vollgummi oder irgend ein anderes Material mit großem Federungsvermögen, zum Beispiel eine Fiberglas-Feder oder Metallfeder, sein, die von dem leitfähigen Überzug

0 09-026/ 1 462

1952878

isoliert ist. Zusätzlich zum Kern der Fig. 11, kann das feste elastische Material ein koaxialer Teil sein, wie eine den Schaumkörper umgebende Muffe. Das feste elastische Material kann mit irgend einem der überzogenen elastischen Materialien, zum Beispiel den in den Fig. 1 bis 9 dargestellten, kombiniert werden.

Entsprechend Fig. 12 weist eine Belastungszelle 110 einen Energiewandler 104 auf, der innerhalb eines Balgens 108 angeordnet ist, welcher seinerseits die Fähigkeit besitzt, sich mit einem aufgebrachten Druck gleichförmig elastisch ¹^ in einer Längsrichtung zu verformen. Die Kontakte 106 des Energiewandlers 104 sind mittels Isolierscheiben 109 von dem Balgen 108 isoliert. Von einer nicht dargestellten Energiequelle führen Leitungen 101 Strom zum Energiewandler; sie sind gegenüber dem Balgen 108 isoliert.

Durch den Einbau des Umwandlers 104 in die Meßdose 110 zur Messung von Flüssigkeitsdruck, bleibt der Energiewandler vom Vorhandensein der Flüssigkeit oder des Druckmittels unbeeinflußt. Weiterhin kann die Verformung des Energiewandlers durch die elastischen Eigenschaften des Balgens gesteuert werden» Die Fig. 12 zeigt folglich die Möglichkeit der Beeinflussung des Moduls eines elastischen

00 982 6V-T 4 62

Materials, zusätzlich zu dem obenbeschriebenen Verfahren der Bemessung der Menge an leitfähiger Beschichtung.

Eine weitere Anwendung für den Energiewandler gemäß der Erfindung zeigt das Bourdon-Rohr 120 nach Fig. 13, wobei ein Wandler 124 zwischen den gegenüberliegenden Flächen 116 und 118 des Bourdon-Rohres erfaßt ist. Isolierscheiben dienen dazu, die Kontaktkappen 127 von den Flächen 116 und zu isolieren. Der Energiewandler 124 ist mittels Leitungen an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen. Bei 114 tritt Flüssigkeit in die Fläche 116 ein und fließt zu der geschlossenen Fläche 118, wobei der Druck in dem Rohr 120 die Fläche 118 veranlaßt, sich nach außen zu bewegen, um eine Kraft auf den Wandler 124 in einem dem Druck der Flüssigkeitpropottionelen Betrag freizugeben. Andererseits bewirkt der dem Wandler freigegebene Druck eine Änderung der Länge des Stromweges in dem Energiekreis. Wenn der Flüssigkeitsdruck abfällt, bewegen sich die Flächen nach innen,und auf den Wandler wird eine Kraft ausgeübt. Sofern es gewünscht wird, kann die in dem Bourdon-Rohr normalerweise zur Übertragung der Änderungen der Rohrgeometrie auf einen Zeiger oder eine Anzeigevorrichtung verwendete mechanische Anordnung mit

00 98 26/ UB2

der Anordnung gemäß Fig.. 13 versehen werden. In diesem Fall sind zwei Arten von Anzeigen gegeben.

Bei vielen Anwendungen zeigt der Energieumwandler gemäß der Erfindung bemerkenswert kleine Änderungen seiner Eigenschaften, wenn er variierenden Temperaturen ausgesetzt wird. Wenn jedoch große Genauigkeit gefordert wird, ist in der Regel eine Temperaturkompensation erwünscht.

Gemäß Fig. 14 und 15 umgeben die äußeren Widerstandselemente 135 und 136 die kürzeren inneren Widerstandselemente 131 und 132. Die oberen Enden der inneren Widerstandselemente 131 und 132 und der äußeren Widerstandselemente 135 und 136 sind an einer Isolierplatte 138 befestigt. Eine Isolierplatte 139 ist an den unteren Enden der äußeren Widerstandselemente 135 und 136 angeordnet. Zu den Widerstandselementen 135 und 136 führen Leitungen 141 von einer nicht dargestellten Stromquelle. Die äußeren Widerstandselemente 135 und 136 reagieren auf Druck, während dies bei den inneren Widerstandselementen 131 und 132 nicht der Fall ist. Leitungen 143 bis 146 verbinden die Widerstandselemente untereinander derart, diß jedes Element einen Zweig einer Wheatstoneschen-Brückenschaltung umfaßt. Jedes der inneren Elemente 131 und 132

009820/1462

ist mit einem der äußeren Elemente 135 und 136 verbunden, so daß ein inneres und ein äußeres Element allwechselnde Zweige in der Brückenschaltung bilden. Da der Spannungsabfall über diesen der angelegten Spannung entspricht, werden ihre Ausgangsleistungen addiert, und. die Ausgangsleistung wird verdoppelt.Obgleich Drähte zur Verbindung der Widerstandselemente in der Brückenschaltung verwendet werden können, können einige Leitungen an den inneren Flächen der Kontakte mittels herkömmlicher Verfahren aufgedruckt werden. Um eine maximale Ausgangsleistung an der Brückenschaltung zu gewährleisten, sollte der Widerstand aller Widerstandselemente gleich sein» Mit anderen Worten: Der feste Widerstand der nicht auf Druck ansprechenden Elemente sollte etwa gleich dem normalen Widerstand der druckabhängigen Elemente sein. Unter normalem Widerstand ist der Widerstand der auf Druck ansprechenden Elemente vor Anordnung in der Umgebung, in der der Wandler arbeitet, zu verstehen. Dies wird gemäß der Erfindung durch Veränderung der Zusammensetzung und der Menge des auf das Widerstandselement aufgebrachten leitfähigen Oberzugs erzielt. Die inneren Widerstände müssen insoweit keine Widerstandselemente nach der Erfindung aufweisen, als ihr Widerstand gleich dem normalen Widerstand der äußeren Elemente ist und sie atif Temperatur in der gleichen Weise

00992ε/US2

wie die äußeren Elemente ansprechen. Eine Meßzelle kann durch Einhau des temperaturkompensierten Energiewandlers nach Fig.. 14 und 15 in den Balgen gemäß Fig. 12 hergestellt werden.

Gemäß Fig. 16 weist ein temperaturkompensierter Wandler die vierfache Leistung eines Wandlers mit einem einzigen Element auf. Der Wandler verfügt über die oberen Widerstandselemente 161 und 162, sowie über die unteren Widerstandselemente 168 und 169, die mit einem Ende der Kappen 159 bzw. 171 und am gegenüberliegenden Ende an einer Isolierplatte 165 angeordnet sind, welche eine an ihrem Umfang vorgesehene Druckapplikationsscheibe 166 aufweist. Die Wandlereinrichtung 180 ist innerhalb eines Balgens 179 angeordnet und von diesem an den Längsenden durch Isolierscheiben 157 und 173 getrennt. In etwa der Längsmitte des Balgens 179 ist die Druckapplxkationsscheibe an dem Balgen 179 angebracht, um einen oberen und unteren Balgenteil 155 t>zw. 179 zu bilden, Laschen 153 sind an der oberen und der unteren Fläche des Balgens 179 be*- festigt. Die Widerstandselemente sind durch elektrische Leiter 175 verbunden, so daß jedes Widerstandselement einen Zweig einer Wheatstoneschen-Brücke mit oberen und unteren Widerstandselementen als abwechselnde Zweige

009826/1482

1052878

bildet, Während des Gebrauchs erstrecken sich mit Abstand voneinander angeordnete Stangen oder Stäbe durch die Öffnungen in den Laschen 153, so daß die Lage des Wandlers vorgegeben ist, Druck der Umgebung wird nur auf die Druckapplikationsscheibe 166 aufgegeben. Die Kappen 159 und 171 sind mittels Leitungen mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden. Bei Aufbringen eines Druckes auf die Druckapplikationsscheibe 166 in Richtung der Pfeile werden der untere Balgenteil 177 und die unteren Widerstandselemente 168 und 169 zusammengepreßt, während der obere Balgenteil 155 und die oberen Elemente 161 und 162 unter Zugspannung stehen. Vorzugsweise ist der normale Widerstand der Widerstandselemente nach Fig. 16 etwa gleich»

Gemäß Fig. 17 umfaßt eine abgewandelte Ausführungsform des Energiewandlers nach Fig. 16 eine Energiewandlereinrichtung 195, die in einem festen Behälter 198 vorgesehen und von diesem durch Isolierscheiben 191 und 199 abgetrennt ist. Durch eine Öffnung im oberen Bereich des starren Behälters 198 erstreckt sich ein Stab 192* Dieser ist an seinem unteren Ende an der Isolierplatte 193 befestigt. An dem außerhalb des starren Behälters 198 befindlichen

Teil der Stange 192 sind auf Druck ansprechende Einricliungen 189 vorgesehen. Bei Einwirkung einer Kraft auf diese Einrichtungen 189 reagiert die Energiewandlereinrichtung 195 in der gleichen Weise, wie unter Fig. 16 beschrieben. Die auf Zug beanspruchten Widerstandselemente der Fig. 16 und 17 können sich anfänglich in entspanntem Zustand befinden oder können zusammengedrückt sein (vorgespannt). Die letztere Möglichkeit ist zweckmäßig, wenn das Widerstandsmaterial eine niedrige Zugfestigkeit aufweist. Das für die Energiewandler nach Fig. 12 bis 17 zweckmäßigste Widerstandselement der Fig. 1 bis 9 muß entsprechend den zu messenden Eigenschaften und der gewünschten Genauigkeit ausgesucht werden.

Beispiel 1

Das Hystereseverhalten eines Energiewandlers gemäß der Erfindung wurde durch Messung der Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Kraft bei Anwendung einer Last gegenüber einer gegebenen Belastung und bei Freigabe der Belastung gegenüber einem entspannten Zustand untersucht. Widerstandselemente für den Wandler wurden unter Verwendung eines Silikonkautschukschaums hergestellt, der eine Dichte

009826/1482

von etwa 136 kg/m , eine Länge von 12,7 mm und einen Durchmesser von ebenfalls 12,7 mm hatte. Die leitfähige Beschichtung wurde hergestellt durch Mischen von VM&P (Firnis für Hersteller und Maler),Naphtha (Standard Oil Company of Ohio) mit SiIikonkautschik (General Electric Clear Seal) und teilchenförmigen Kohlenstoff (Conductex SC Kugeln), jeweils in getrennten Behältern. Die insgesamt verwendete Menge an Naphtha wurde durch die gewünschte Menge von Oberzugsmaterial bestimmt. Die einzelnen Lösungen wurden gemischt, gründlich verrührt, und die Widerstandselemente wurden.durch Eintauchen der Schaumkörper in die unten beschriebenen Lösungen hergestellt: .

Probe	Kohlenstoff, %, gewichtsmäßig	Überzugsgewicht %des urspr. Schaum gewichtes
301	. . - 50	143
307	50	55.1
311	100	113

Nach Aufbringen des leitfähigen Überzugs wurden die Widerstandsei eraente in einem warmen Ofen angeordnet, bis das

009826/1462

Lösungsmittel ausgetrieben war. Es wurde ein elektrisch ieitfähiger Kitt verwendet, um Messingkontakte mit einem Durchmesser von etwa 16 ram und einer Dicke von etwa 1,3 mm an jedem der Enden des Widerstandselementes zu befestigen. An den Elektroden wurden Leitungen angeordnet, um einen elektrischen Stromkreis mit einer Stromquelle und einer elektrischen Anzeigevorrichtung zu bilden. Jeder Wandler wurde belastet, und der elektrische Widerstand wurde bei verschiedenen Auslenkungen gemessen. Bei vollständiger Kompression des Widerstandseiernentes wurde die Belastung schrittweise in kleinen Beträgen abgebaut, so daß die Auslenkung und der Widerstand aufgezeichnet werden konnten. Die Darstellung in Fig. 18 zeigt das Hystereseverhalten von drei Wandlern. Für die vielen erfaßten Widerstandsbereiche wurde eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit verzeichnet.

Beispiel 2

Die brauchbaren Widerstandsbereiche von Widerstandselementen, die aus Energiewandlern gemäß Beispiel 1 aus

0098 26/1462

Silikonschäümen mit zwei verschiedenen Dichten hergestellt wixrderi, wurden in Abhängigkeit von der Leitfähig-

ÜrDorgags.

keit des und der Menge an verwendetem (ifes«»* Uberzug-sniaterial

^eSIk t>eai;iinin"fc · Der elektrische Widerstand

wurde irt/en'tspanntea und in /voilkomprimiertcsn Zustand gemessen. Die folgende Tabelle vergleicht die Widerstandsbereiche mit dem Beti-ag und der Leitfähigkeit der leitfähigeft Beschichtung. ..

Überzugs-

. KöHlenstoff, '?»>■". Probe* gewiphtsmäßig·

gev/icht 5», des Wider st and s-

ur spr, S chauinge wi cht s bereich in Clini

321	150	255	.16	-2O/5
221	I5o	149	14,	5-17,0
317 217	150 15o	V 159 - 91	26 2o	-56
319 219	■ 150 150	116 63,5 .	27	- 11 0 62
323 223	15o 150	1o3 47,3	36 28	~ 28o » 162
3o9 2o9	I00 100	2o5 . 142	36 28	.- 4o
311 211	100 I00	113 60,8	47 7o	- 12o - 12o
313 213	1op 1 DO	1 08 • 45 r5	72	4oo - 230
315 215	loo 1 00	78 33,2	2oo 12o	- Zdjoo - 670
3o1 2o1	5o ■5.0	143 77f3	I00 32o	3oo - 355
3o3 2o3	UtUt O O	loo 38	175 263	- 710 - 595

0902g/146Ϊ

-63 BAD ORIGINAL

F ο :c t s ot ν. un g jd e r^ T ab s 11 e

Kohlenstoff, %· 'obe gev?:Lchtß-inäßig

2o5
3o7

iberzugs-

gev/icht ^cß>_t des . Widerstands·

u!"spr". SchauKigevficht s bereicb/Ohin

7^,3

2oo - Dichte des Schaumes 3oo - Dichte des Schaumes

Ί7^!*Λ kg/)<
136,2 kg/m·*

23o
13o

1500 600

13oo "-. 6700 560 - 2500

Aus dem vorstehend gesagten ergibt sich, daß eine große Vielzahl von elektrischen liiderstandsbereichen durch Veränderung der Menge an leitfähigem Material in der Beschichtung und der Menge an verwendetem \'t- &ο ο Γ ZV, g s ■ material erzielt werden kann. · .

Beispiel 3 .

yEnergiev/andler
Es v;urden in der unter Beispiel 1 beschriebenen.

Weise hergestellt. Dann wurde die Beziehung von Kraft zn

der Widerstandsänderung pro Einheit f aufgebrachter Kraft und die Widerstandsänderung'pro Änderung von Längeneinheit für verschiedene Mengen und Leitfähigkeiten von

Überzugsmaterial
leitfähigero oni'a33untersucht»-

008826/1482

ORIGINAL

Auf diese Weise konnte die Auswirkung dieser letzteren Veränderlichen auf die Empfindlichkeit untersucht werden. Gemäß den Fig. 19 und 20 verändert sich die Empfindlichkeit der Widerstandselemente über einen weiten Bereich, der von der Menge und der Art an verwendetem leitfähigen Be-Schichtungsmaterial abhängt. Diese Tatsache ermöglicht die Anfertigung von leitfähigen Elementen für spezifische Anwendungszwecke.

Beispiel 4

Es wurden zweckmäßige. Widerstandsbereiche von Widerstandselementen als Funktion der Art der Aufbringung des leitfähigen Überzugs untersucht. Widerstandselemente wurden aus einem elastischen Material aus Silikonkautschuk-Schaum

3 " ■ ■ - - ■

mit einer Dichte von 136,17 kg/m und einer Länge von 9,4 mm mit einem Durchmesser von 28,5 mm hergestellt. Der leitfähige Überzug oder Beschichtung für die Probe 101 wurde durch Mischen von Xylol mit Silikonkautschik (General Electric Clear Seal) und teilchenförmigen! Kohlenstoff (Conductex SC Kugeln) und Behandlung in der Kugelmühle über 5 Minuten angefertigt. Unmittelbar im Anschluß an das Mahlen in der Kugelmühle wurde das Widerstandselement durch Tauchen

902.07 U0 2

des Schaumkörpers in diese Lösung angefertigt. Bei der Probe 103 wurden 80% des Xylols, das für den leitfähigen Überzug der Probe 101 verwendet wurde, zum Tränken des Schaumkörpers gebraucht, bevor dieser in eine Überzugslösung eingetaucht wurde, die 80% weniger Xylol enthielt, als diejenige, die sodann für den leitfähigen Überzug der Probe 101 verwendet wurde. Die Wandler wurden in der gleichen Weise, wie im Beispiel 1 beschrieben, hergestellt; gemessen, wurde der elektrische Widerstand im entspannten Zustand und das Aufbringen einer Kraft von 50g..

Die Abstimmungen und elektrischen Eigenschaften der Energiewandler waren wie folgt:

Probe Kohlenstoff, %» Uberzugsgewicht 96, Widerstand gewichtsmäßig urspr. Schaum- 0hm

gewichts

	40	90	60	50g
101	40	100	10	20
103			4

Die Anwendung einer Lösungsmittel-Vorbehandlung für die Probe 103 ergab ein Widerstandselement mit verbesserter Leitfähigkeit gegenüber der Probe 101. Die Probe 103 wurde mehrmals belastet, ohne daß sich der Widerstand

000826/1462

■- 56 -

gegenüber dem oben angegebenen ändert. Es hat sich gezeigt, daß das Mahlen in der Kugelmühle ebenfalls eine größere Leitfähigkeit ergibt, als diejenige, die sich bei einem Vergleich der Probe 303 nach Beispiel 2 mit der Probe 101 ergibt.

Öftmals ist es erwünscht, einen Energiewandler mit veränderlichem Modul anwenden zu können, so daß die elektrischen

*' Widerstandskenngrößen des Wandlers bei der Verformung genau beobachtet werden können. Dies ermöglicht eine Einstellung der Empfindlichkeit des Wandlers innerhalb mehrerer Verformungsbereiche. Gemäß Fig. 21 ist zur Bildung eines Widerstandselementes 216 ein Paar Widerstandselemente 212 und 214 vertikal zwischen elektrischen Kontakten 219 übereinandergeschichtet, die an den Längsenden des Widerstandselementes 216 befestigt sind. Die Elemente 212 und 214 sind mittels eines elektrisch leitenden Kittes 218 verbunden. Wenn die Elemente 212 und 214 unterschiedlichen Modul aufweisen, verringert das Material mit geringerem Modul sein Volumen sehr schnell bei anfänglichem Druck auf den Umwandler, um eine sofortige Änderung des Widerstandes herbeizuführen. Das Element mit höherem Modul verringert sein Volumen langsamer und bewirkt eine weitere Widerstandsänderung mit der Deformation, nachdem die Wirkung des

Ug 2

Elements mit niedrigerem Modul aufgehört hat.

Gemäß Fig. 22 besitzt ein Wandler 225 mit bei Verformung gesteuerter Widerstandsänderung ein Widerstandselement 227 aus Elastomerschaum, das zwischen elektrischen Kontakten 237 angeordnet ist, die ihrerseits eine zentrale Öffnung 229 aufweisen. Diese Öffnung 229 ist mit einer isolierten Feder 231 und einem federnden Anschlag 233 versehen. Eine anfängliche Verformung des Wandlers 225 bewirkt eine Widerstandsänderung, die sich aus den Kenngrößen des Widerstandselementes 227 ableitet. Bei weiterer Verformung schlägt der obere Kontakt 237 an der Feder 231 an, wodurch diese eine zusätzliche Verformung des Widerstandselementes 227 hervorruft. Sobald die Verformung dem Abstand zwischen dem Ende des Anschlags 233 und dem unteren elektrischen Kontakt 237 entspricht, steuert dieser Anschlag die weitere Verformung. Bei jeder der beiden letzteren Stufen kann der Wanler einer größeren Verformung unterworfen werden, wobei er seinen brauchbaren Druck - Arbeitsbereich ausdehnt.

In den Figuren 23 bis 26 ist eine bevorzugte Ausführungsart des veränderlichen Widerstandselementes nach der

009020/1462

1352678

Erfindung wiedergegeben. Diese Ausführungsart besteht^ aus einem handelsüblichen Polyurethanschaum mit einem ersten Oberzug aus Silikonkautschuk, der wiederum mit einem elastischen, elektrisch leitfähigen Material überzogen ist. Die Figuren 23 bis 26 sind Mikrofotografien mit zunehmender Vergrößerung und zeigen den Aufbau des Elementes im genaueren Detail.

Der zellenförmige Aufbau eines netzförmigen Polyurethanschaums, der gemäß der Erfindung mit einem leitfähigen Überzug beschichtet ist, ist in Fig. 23 dargestellt. Aus dieser Mikrofotografie geht klar hervor, daß der überzogene Schaum in seinem Aufbau offene Zellen aufweist und daß ein großer Teil des Volumens leer ist. Die Fig. 24 zeigt einen Querschnitt durch eine der verbindenden Fasern des überzogenen Aufhaus. Der dunkle, dreieckförmige Teil, das Zentrum der Faser, zeigt die netzartige oder netzförmige Struktur des Schaums aus Polyurethan. Die netzartigen Schaumstrukturen, wie die hier gezeigten, sind handelsüblich und werden von der Scott Paper Company geliefert. Sie sind genauer in der US-Patentschrift 3.171.820 beschrieben. Der hellere Teil, der den dreieckförmigen Kern aus Polyurethan direkt umgibt, stellt dan ersten Überzug aus Silikonkautschuk dar. Das Überziehen des Polyurethankornes

00 9 θ 28/US 2

— "59 —

mit Silikonkautschuk in dieser Art führt zu einer erheblichem Verbeserung der mechanischen Eigenschaften des zellförmigen Aufbaus. Vorzugsweise wird der erste Silikonüberzug vor Aufbringen der leitiähigen Schicht getrocknet und behandelt.

Wie in Fig. 24 und genauer in Fig. 25 gezeigt ist, stellt die dünne Schicht aus dunklem Material, die den hellen Silikonkautschukteil umgibt, den leitfähigen Überzug dar. Gemäß Fig. 25 ist die Außenfläche des Überzugs an den Faserenden im wesentlichen glatt und frei von hervorragenden Teilchen. Nach Fig. 25 ist es augenscheinlich, daß die Kohlenstoffteilchen über der Oberfläche des Überzugs gleichmäßig verteilt sind.

Fig. 26 ist eine Mikrofotografie eines Teiles der Überzugsoberfläche, und zwar in senkrechter Sicht auf diese und in 500Ofacher Vergrößerung. Die weißen Fasern in Fig. bedeuten ein Füllmaterial in dem elastischen Bindemittel aus Silikonkautschuk. Die Kohlenstoffteilchen sind noch zu klein.um sichtbar zu sein, doch sind sie in den gleichförmig verteilten dunklen Bereichen dieser Fotografie überwiegend in dem Silikonkautschuk eingebettet. Derartige in den Fig. 23 und 26 wiedergegebene Widerstands-

00 98 26/

elemente wurden bis zu einmillionraal in einer besonderen Vorrichtung zyklisch belastet, um das Element bis auf 42 Prozent seiner ursprünglichen Höhe zusammenzudrücken und sodann wieder bis zur ursprünglichen Große auseinander-*- zuziehen. Dabei ergab sich lediglich eine Verringerung der Hysterese und der Linearität um 2 bis 3 Prozent. Aus diesen Figuren geht klar hervor, daß ein elastisches tfiderstandselement gemäß der Erfindung irgendeiner ähnlichen heutigen Vorrichtung weit überlegen ist.

Die bevorzugten netzartigen Schaumstrukturen umfassen ein dreidimensionales Netzwerk aus untereinander verbindenden Fasern oder Faserbündeln von elastischem Material, die in Abständen Verbindungsstellen aufweisen und durch diese zu einer Einheit verbunden sind, um ein Skelett bzw. Umriß aus einer Vielzahl von Polyedern zu bilden, deren Flächen alle polygonal und jeweils einem Paar angrenzender Polyeder gemeinsam sind, wobei im wesentlichen alle Flächen offen und frei von membranförmigem elastischem Material sind. Die Strukturen besitzen vorzugsweise 4 bis 40 Flächen, pro cm (üblicherweise als Poren pro cm bezeichnet). Die netzförmige Schaumstruktur kann aus Silikonkautschuk bestehen, wobei die Zwischenschicht aus Silikonkautschuk entfällt. Erforderlichenfalls kann mehr als eine Zwischen-*

00 98 26/ Ug 2

schicht vorgesehen sein. Die erläuterten erfindungsgemäßen Widerstandselemente, die durch ein elastisches Material mit zusammendrückbarem Aufbau und wenigstens einem untereinanderverbundenen, mit einem leitfähigen Überzug versehenen Teil aufweisen, haben viele Anwendungszwecke und Vorteile. Die Anwendungsbereiche des Widerstandselementes schließen Messungen der Torsion, Spannung und WinkeiverSchiebung ein. Ferner sind sie verwendbar in Verbindung mit Bchalldosen für geringe akustische Energien. Energiewandler gemäß der Erfindung finden Anwendung bei der Messung von Kraft, Druck und Torsion. Temperaturkompensierte Wandler können zur Messung oberhalb der Raumtemperatur verwendet werden, wo die kombinierten Faktoren von Preiswürdigkeit und Genauigkeit von Bedeutung sind.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein Widerstandselement geschaffen wurde, das einen elektrischen Widerstand aufweist, der sich in einer einfachen Beziehung mit dem Zustand der Spannung oder der Kompression des Widerstandeelementes ändert. .

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein preiswertes Widerstandselement geschaffen wurde, das einen auf den jeweiligen Anwendungsfall anpaßbare

93 287 140

Empfindlichkeit besitzt und das darüberhinaus eine betriebssichere, zuverlässige Variation des elektrischen Widerstandes mit fortgesetzter Anwendung von Zug oder Spannung aufweist.

Ein anderer Vorteil.der Erfindung besteht schließlich darin, daß ein preiswerter Energiewandler zur Verfugung steht, der hohe Leistung und Temperaturkompensation hat.

ORIGINAL INSPECTED

Po* ι a Ολα* a I

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1. IWiderStandselement, dadurch gekennzeichnet, daß dieses

   aus einem elastischen Material mit einem fortschreitend zusammendrückbaren Skelett bzw. Skelettaufbau und mit einem nichtbrüchigen, elastischen, elektrisch leitfähigen sowie zusammenhängenden Überzug besteht, der zumindest an einem verbundenen Teil des fortschreitend zu-■ sanunendriickbaren Skeletts anhaftet, wobei dieser Überzug eine mittlere Dicke von etwa 0,05 bis 0,25 der Dicke des Skelettaufbaus aufweist und das Widerstandselement innerhalb seiner äußeren Umgrenzung zu weniger als 25 Prozent ausgefüllt ist, und daß der Überzug über ein elastisches Bindemittel und in diesem fein verteilte, elektrisch leitfähige Teilchen verfügt, die zusammen mit dem Bindemittel eine im wesentlichen glatte Außenfläche bilden, in der die leitfähigen Teilchen überwiegend, jedoch nicht vollständig, eingebettet sind.

   2. Widerstandseiement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Teilchen etwa 10 bis .25 Prozent des Überzugsvolumens einnehmen.

   009826/U6

   3· Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das elastische Bindemittel im wesentlichen aus Silikonkautschuk besteht.

   4. Widerstandselement nach Anspruch 1-und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die leitfähigen Teilchen im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen.

   5· Widerstandselement nach Anspruch 1-3 ,dadurch gekennzeichnet , daß das elastische Material im wesentlichen aus einem nicht leitfähigen Elastomerschaum besteht, der ein untereinander verbundenes zellenförmiges Netzwerk aufweist,

   6. Widerstandselement nach Anspruch 1-3. dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material im wesentlichen aus einer porösen Masse aus unregelmäßig geformten, nicht leitfähigen elastischen Teilchen besteht, die an ihren Berührungsflächen zusammenhaften. *

   7· Widerstandselement nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet^ daß das elastische Material im wesentlichen aus einer porösen Masse von nicht leitfähigen, elastischen und im wesentlichen kugelförmigen Teilchen besteht, die an ihren, Berührungsflachen zusammenhaften.

   00 98 28/1 46

   8. WiderStandselement nach Anspruch 1-3,dadurch gekennzeichnet , daß das elastische Material im wesentlichen aus einer porösen Masse von hohlen, nicht leitfähigen, elastischen und im wesentlichen kugelförmigen Teilchen besteht, die an ihren Berührungsflächen zusammenhaften.

   9. Widerstandselement nach Anspruch 1-3» dadurch gekennzeichnet,daß das elastische Material im wesentlichen aus einer porösen Masse von Elastomerschaumteilchen besteht, die an ihren Berührungsflächen zusammenhaften, wobei jedes Teilchen ein untereinander verbundenes zellenförmiges Netzwerk aufweist.

   10, Widerstandselement nach Anspruch 1-3»dadurch gekennzeichnet , daß das elastische Material im wesentlichen aus ineinander verhakten Fasern, Fäden, Flocken, Schuppen, Kapseln, Schalen o.a. besteht.

   11. Widerstandselement nach Anspruch lr-3i dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Material aus einer Metallfolie gebildet ist, die zumindest in einer flachen Schicht und wenigstens einer darübergelegten, gewellten oder gerippten Schicht angeordnet ist,wobei jede Schicht Zellen mit tiuerschnittsbereichen bildet, die sich mit dem Abstand von den Berührungstellen der gewellten und der flachen Schicht fortschreitend verändern.

   009820/ 1462

   " ⁶⁶ "ν 19 5267

   12. Widerstandselement nach Anspruch 1-3tdadurch gekennzeichnet , daß das elastische Material eine Vielzahl von übereinander geschichteten geprägten Metallplatten oder -lamellen aufweist, die an ihren Berührungsstellen verbunden sind.

   13· Fortschreitend zusammendrückbares, veränderliches Widerst andselement, dadurch gekennzeichnet, daß dieses ein dreidimensionales Netzwerk aus untereinander verbundenen Fasern von elastischem Material besitzt, die in Abständen Verbindungsstellen aufweisen und durch diese zu einer Einheit verknüpft sind und ein Skelett aus einer Vielzahl von Polyedern bilden, deren Flächen alle polygonal und jeweils einem Paar angrenzender Polyeder gemeinsam sind, wobei im wesentlichen alle Flächen offen und frei von membranförmigen elastischem Material sind, und daß des weiteren ein nichtbrüchiger, elastischer Überzug vorhanden ist, der diese verküpfenden Fasern und die Verbindungsstellen bedeckt, ohne die offenen, polygonalen Flächen überwiegend auszufüllen, wobei dieser Überzug ein elastisches Bindemittel und in. diesem fein verteilte elektrisch leitfähige Teilchen enthält und eine im wesentlichen glatte Außenfläche besitzt, in. der die leitfähigen Teilchen überwiegend, jedoch nicht vollständig eingebettet sind.

   00982671462

   ΐΛ. Widerstandslement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Dicke des Überzugs weniger als das etwa 0,5 fache des Radius der verbindenden Fasern beträgt.

   15· Widerstandslement nach Anspruch 13 und Ik, dadurch gekennzeichnet , daß das Netzwerk etwa 4 bis 40 polygonale Flächen pro cm aufweist.

   l6. Widerstandselement nach Anspruch 13-151 dadurch gekennzeichnet , daß zusätzlich eine Zwischenschicht aus elastischem Material zwischen dem Skelett und dem Überzug vorhanden ist.

   17· Widerstandselement nach Anspruch" 13 und l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht im wesentlichen aus Silikonkautschuk besteht.

   l8. Widerstandselement nach Anspruch 13 ^17. dadurch gekennzeichnet , daß das Skelett im wesentlichen aus Polyurethan-Kunststoff besteht.

   009826/U6

   19» Widerstandselement nach Anspruch 13 -18,".dadurch..;gekennzeichnet , daß das teilchenförmige, leitfähige Material im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht.

   20. Fortschreitend zusammendrückbares, veränderliches Widerstandselement, dadurch gekennzeichnet, daß dieses einen verflochtenem Aufbau aus Fasern, Faserbündeln o.a. aufweist und über eine Schicht aus elastischem Material verfügt/ die diese Fasern o.a. bedeckt und an den in Abständen vorhandenen Kreuzungspunkten verbindet, um ein dreidimensionales, verknüpftes Netzwerk zu bilden, das im wesentlichen in den Bereichen zwischen den Fasern frei von membranförmigem Material ist, wobei diese elastische Schicht dem Aufbau in der Gesamtheit Elastizität verleiht, sowie daß das Widerstandselement desweiteren einen .nichtbrüchigen, elastischen Überzug besitzt, der das Netzwerk bedeckt, ohne daß er die Bereiche zwischen den Fasern ausfüllt, wobei der Überzug ein elastisches

   . Bindemittel un in diesem fein verteilte, elektrisch leitfähige Teilchen aufweist, um eine im wesentlichen glatte Außenfläche zu bilden, in der die leitfähigen Teilchen überwiegen, jedoch nicht vollständig in das Bindemittel eingebettet sind.

   26/1462

   21. Widerstandselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht aus elastischem Material im wesentlichen aus Silikonkautschuk besteht.

   22. Widerstandselement nach Anspruch 20und 21, dadurch gekennzeichnet , daß das teilchenförmige, leitfähige Material im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht.

   23. Verfahren zur Herstellung eines nichtbrüchigen elastischen Überzugs mit in diesem fein verteilten leitfähigen Teilchen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   (a) Erhitzen der leitfähigen Teilchen im Vakuum zur Entfernung von Verunreinigungen ·

   (b) Abkühlung der leitfähigen Teilchen auf eine vorbestimmte Temperatur, die unter der Verdampfungstemperatur einer ausgewählten Flüssigkeit liegt,

   (c) Hinzugeben einer Flüssigkeit, die bei der vorgenannten Temperatur nicht verdampft, zu den leitfähigen Teilchen, um eine Faste zu bilden,

   09820/1462

   9 5267

   (d) Hinzufügen eines fließfähigen elastischen Materials zu der Paste, um eine leitfähige Zusammensetzung bzw. Gemisch zu erhalten,

   (e) Mischen der leitfähigen Zusammensetzung um die leitfähigen Teilchen in diesem gleichmäßig zu verteilen, und

   (f) Hinzufügen eines Katalysators in die vermischte Zusammensetzung um das Vernetzen des elastischen Materials zu fördern.

   24. Verfahren nach Anspruch 23 > gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt des Zufügens einer zusätzlichen Flüssigkeit in die leitfähige Zusammensetzung, und zwar nach dem Mischen, um die Viskosität so weit herabzusetzen, daß die Zusammensetzung leicht in nahezu jeden der offenen zellförmigen Bereiche einer elastischen, porösen Masse eindringen kann.

   und 2k 25· Verfahren nach Anspruch 23 / dadurch gekennzeichnet, daß diese Flüssigkeit im wesentlichen aus einem Lösungsmittel besteht.

   009826/1482

   26. Verfahren nach Anspruch . 23. uv 24,-^dadurch gekennzeichnet, daß diese Flüssigkeit im wesentlichen aus einem Emulgator besteht.

   27· Verfahren zur Herstellung eines fortschreitend zusammendrückbaren , veränderlichen Widerstandselementes mit einem dreidimensionalen Netzwerk, dessen Zellen im wesentlichen vollständig offen sind und das aus verbindenden Fasern von elastischem Material besteht, gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einen Teil der Außenfläche dieses Netzwerkes ein fließfähiger, nichtbrüchiger und leitfähiger Überzug aufgebracht wird, der aus einem elastischen Bindemittel mit in diesem fein verteilten, elektrisch leitfähigen Teilchen besteht, um eine im wesentlichen glatte Außenfläche zu bilden, in der die leitfähigen Teilchen überwiegend, jedoch nicht vollständig eingebettet sind, und daß das Überzugsmaterial auf dem Netzwerk solange ausgebreitet wird, bis es gleichmäßig über der Außenfläche des Netzwerkes verteilt ist, sowie daß anschließend durch Zentrifugieren des Netzwerkes das überschüssige Überzugsmaterial entfernt und schließlich das Netzwerk getrocknet und behandelt wird, um das elastische Bindemittel zu verfestigen.

   0098=20/1462

   28. Verfahren nach Anspruch 27 ι dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Verfahrensschritt das Netzwerk vor Aufbringen des Überzugs mit einer Flüssigkeit gesättigt wird. ,

   008826/U62.