DE19645583A1 - Nichtlineares Potentiometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Potentiometer mit einer Widerstandsbahn mit zumindest einer elektrischen Kontaktierung und zumindest einem Schleifkontakt, der auf der Widerstandsbahn zwischen zwei Positionen bewegbar ist.

Derartige Potentiometer sind in weitem Umfang bekannt und werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Sofern derartige Potentiometer zur Rückmeldung einer Position in einem Stellantrieb verwendet werden, können sich dann Probleme ergeben, wenn innerhalb des Stellantriebes (beispielsweise aufgrund einer komplexen Getriebeeinheit) eine lange Toleranzkette entsteht, da sich diese negativ auf die möglichen Endpositionen des Stellantriebes bzw. des Potentiometerschleifers auswirkt.

Fig. 5 zeigt einen Teil eines bekannten Potentiometers, das zur Rückmeldung einer Winkelstellung dient. Das bekannte Potentiometer weist eine Widerstandsbahn 10 auf, die an ihren beiden Enden (in Fig. 5 ist nur ein Ende dargestellt) über einer elektrischen Kontaktierung 12 aufgebracht ist. Die elektrische Kontaktierung 12 ist eine Leiterbahn aus Kupfer, die sich auf einer Leiterplatte befindet. Zum Anschließen eines Kabels, Lötstiftes oder dergleichen ist eine Anschlußfahne 16 seitlich aus der Kontaktierung 12 herausgeführt, die nicht von der Widerstandsbahn 10 überdeckt ist. Ferner sind bei dem bekannten Potentiometer sechs parallel geschaltete Schleifkontakte 14 vorgesehen, die zwischen zwei Positionen auf der Widerstandsbahn bewegbar sind und dadurch eine Bewegungsbahn festlegen.

Fig. 6 zeigt die Charakteristik des in Fig. 5 dargestellten Potentiometers, wobei dieses als Spannungsteiler betrieben wird. In Fig. 6 sind die mit A und C gekennzeichneten Bereiche mögliche Endpositionen der Schleifkontakte 14, die aufgrund der mechanischen Toleranzen innerhalb eines Stellantriebes oder dergleichen auftreten können. Sofern sich die Schleifkontakte 14 jedoch innerhalb der Bereiche A und C befinden (in Fig. 5 ist nur der Bereich A dargestellt), ergeben sich Spannungsbereiche E₁ und E₂ mit einem relativ großen Spannungsbereich. Dies verringert jedoch den Auflösungsbereich R des Potentiometers unerwünscht, wodurch Probleme für eine nachgeschaltete Regelung des Stellantriebes oder dergleichen entstehen.

Es ist deshalb der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), ein Potentiometer der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß mit minimalem baulichem Aufwand eine deutlich verbesserte Auflösung erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß eine Normale zur Bewegungsbahn des Schleifkontaktes die Grenzkontur zwischen Kontaktierung und Widerstandsbahn schneidet. Hierbei wird unter der Grenzkontur zwischen Kontaktierung und Widerstandsbahn die Grenzlinie verstanden, die den Bereich, der nur durch die Widerstandsbahn gebildet ist, von dem Bereich trennt, der durch Widerstandsbahn und darunter und bzw. darüber befindlicher Kontaktierung gebildet ist. Durch die erfindungsgemäß ausgestaltete Kontaktierung ist im Endbereich des Potentiometers eine bewußt herbeigeführte Nichtlinearität geschaffen, die den Verlauf der Stromfeldlinien in der Potentiometerschicht gezielt beeinflußt und dadurch eine Nichtlinearität des Ausgangssignals des Potentiometers bewirkt. Da diese Nichtlinearität in den jeweiligen Endbereichen der Bewegungsbahn des Schleifkontaktes vorgesehen ist, läßt sich bei gleicher Baugröße die Auflösung des Potentiometers deutlich verbessern, wodurch ein wichtiger Vorteil für die nachgeschaltete Positionsregelung erreicht wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann sich die Kontaktierung teilweise parallel zu der Bewegungsbahn des Schleifkontaktes erstrecken, wobei die Kontaktierung insbesondere einen streifenförmigen Bereich aufweisen kann.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung können mindestens zwei nebeneinander liegende und parallel geschaltete Schleifkontakte mit einem gegenseitigen Abstand vorgesehen sein, der größer als die Breite des streifenförmigen Bereiches ist. Durch die Parallelschaltung der Schleifkontakte wird einerseits die Sicherheit des Potentiometers erhöht, was allerdings grundsätzlich bereits bekannt ist. Wenn jedoch zumindest zwei Schleifkontakte einen solchen gegenseitigen Abstand besitzen, daß der streifenförmige Bereich der Kontaktierung zwischen diesen Platz findet, so lassen sich die Schleifkontakte im Endbereich des Potentiometers "über" den streifenförmigen Bereich führen, ohne daß die Schleifkontakte diesen jedoch berühren. Das hierdurch erzeugte, nichtlineare Verhalten des Potentiometers hat sehr gute Ergebnisse gezeigt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich mindestens ein streifenförmiger Bereich parallel zur Bewegungsbahn des Schleifkontaktes entlang eines Teils einer oder beider Längsseiten der Widerstandsbahn. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft darin, daß auf Grund der Anordnung des bzw. der streifenförmigen Bereiche entlang der Peripherie der Widerstandsbahn, die Schleifkontakte den bzw. die streifenförmigen Bereiche unabhängig vom gegenseitigen Abstand der Schleifkontakte nicht berühren.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Kontaktierung kammartig eine Vielzahl von streifenförmigen Bereichen aufweisen, die sich parallel zur Bewegungsbahn des Schleifkontaktes erstrecken, so daß die Bewegungsbahnen mehrerer Schleifkontakte zwischen benachbarten streifenförmigen Bereichen verlaufen. Diese Ausführungsform erlaubt eine besonders starke Abflachung des Verlaufs des Ausgangssignals des Potentiometers in den jeweiligen Bereichen der Bewegungsbahn der Schleifkontakte.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kreuzen sich die Bewegungsbahn des Schleifkontaktes und die Kontaktierung nicht. Hierdurch ergibt sich der große Vorteil, daß keine mechanische Beschädigung des Schleifkontaktes bzw. des Potentiometers erfolgt, auch wenn dieses sehr häufig betätigt worden ist. Dies liegt daran, daß die Grenzkontur zwischen Kontaktierung und Widerstandsbahn stets eine - wenn auch sehr kleine - mechanische "Stufe" darstellt, die von dem Schleifkontakt überstrichen werden muß. Ein derartiges Überstreichen einer Stufe beschädigt jedoch auf lange Sicht das Potentiometer. Da sich jedoch erfindungsgemäß die Bewegungsbahn des Schleifkontaktes nicht mit der Kontaktierung kreuzt, müssen keine Stufen überstrichen werden, so daß eine lange Lebensdauer des Potentiometers sichergestellt ist.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Kontaktierung eine Leiterbahn, vorzugsweise aus Kupfer. Hierdurch läßt sich das erfindungsgemäße Potentiometer leicht herstellen, indem die Kontaktierung als Kupferlayout auf eine Platine aufgebracht wird, woraufhin dann die Potentiometerschicht zwischen zwei Kontaktierungen aufgebracht werden kann. Hierbei ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die Kontaktierung eine Anschlußfahne aufweist, die nicht von der Widerstandsbahn überdeckt ist, so daß ein Kontaktieren mit einem Kabel oder dgl. ermöglicht ist.

Die Länge des Bereiches, in dem eine Normale zur Bewegungsbahn des Schleifkontaktes die Grenzkontur zwischen Kontaktierung und Widerstandsbahn schneidet, kann etwa zwischen 5% und 20% der Länge der Widerstandsbahn betragen. Als vorteilhaft haben sich 15% herausgestellt.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich, in dem eine Normale zur Bewegungsbahn des Schleifkontaktes die Grenzkontur zwischen Kontaktierung und Widerstandsbahn schneidet, zumindest teilweise zusätzlich mit einer gut leitenden Beschichtung, beispielsweise aus Silber oder Gold, versehen. Bei dieser Ausführungsform läßt sich die Nichtlinearität des Ausgangssignals des Potentiometers noch stärker beeinflussen, so daß die Widerstandsänderung im Bereich der Beschichtung gegen Null geht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Beschichtung durch Siebdruck aufgebracht und weist eine Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen Mikrometern auf. Wenn darüber hinaus die Beschichtung zwischen der elektrischen Kontaktierung der Widerstandsbahn angeordnet ist, ergibt sich der weitere große Vorteil, daß keine Unebenheit besteht, die einen Verschleiß des Potentiometers bewirken könnte.

Das erfindungsgemäße Potentiometer läßt sich besonders vorteilhaft in einem elektrischen Antrieb zur Rückmeldung einer Winkelstellung einsetzen, da durch die verbesserte Auflösung des Potentiometers die Positionsregelung des Stellantriebes deutlich verbessert ist.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Teil des Potentiometers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 die Kennlinie des als Spannungsteiler betriebenen Potentiometers von Fig. 1;

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Teil des Potentiometers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 die Kennlinie des als Spannungsteiler betriebenen Potentiometers von Fig. 3;

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen Teil eines herkömmlichen Potentiometers; und

Fig. 6 die Kennlinie des in Fig. 5 dargestellten herkömmlichen Potentiometers, das ebenfalls als Spannungsteiler betrieben wird.

Das in Fig. 1 dargestellte Potentiometer gemäß der Erfindung entspricht in seinem Aufbau grundsätzlich dem des eingangs bereits beschriebenen, herkömmlichen Potentiometers, das in Fig. 5 dargestellt ist. Unterschiedlich ist jedoch der Verlauf der Grenzkontur 20 zwischen der Kontaktierung 12 und der Widerstandsbahn 10.

Das Potentiometer, das in einem elektrischen Stellantrieb zur Rückmeldung einer Winkelstellung eingebaut sein kann, weist eine Widerstandsbahn 10 mit zwei elektrischen Kontaktierungen 12 auf, die an beiden Endbereichen der Widerstandsbahn 10 angeordnet sind. Es ist jedoch in Fig. 1 nur ein Endbereich dargestellt. Die Kontaktierung 12 besteht aus einer Leiterbahn aus Kupfer und ist von der Widerstandsbahn 10 mit Ausnahme einer Anschlußfahne 16 vollständig überdeckt. Auf der Widerstandsbahn 10 sind sechs parallelgeschaltete Schleifkontakte 14 zwischen zwei mechanischen Endpositionen bewegbar. Hierbei sind die sechs Schleifkontakte 14 in zwei Gruppen unterteilt, so daß zwischen der ersten Gruppe von drei Schleifkontakten 14 und der zweite Gruppe ein etwas größerer Abstand verbleibt, als zwischen den Schleifkontakten einer Gruppe. Die Bewegungsbahn 17 der Schleifkontakte 14 ist ebenfalls schematisch dargestellt.

Wie in Fig. 1 gut zu erkennen ist, weist die Kontaktierung 12 streifenförmige Bereiche 18, 19 und 21 auf. Dadurch schneidet eine Normale zur Bewegungsbahn 17 der Schleifkontakte 14 die Grenzkontur 20 zwischen Kontaktierung 12 und Widerstandsbahn 10, und zwar dann, wenn die Schleifkontakte 14 so weit bewegt werden, daß diese in den Bereich A eintreten.

Wie in Fig. 1 gut zu erkennen ist, erstreckt sich die Kontaktierung 12 mit ihren streifenförmigen Bereichen 18, 19, 21 parallel zu der Bewegungsbahn 17 der Schleifkontakte 14, wobei die Bewegungsbahn 17 jedes Schleifkontaktes 14 die Grenzkontur 20 an keiner Stelle kreuzt.

In diesem Ausführungsbeispiel weist die Kontaktierung 12 neben dem streifenförmigen Bereich 18 außerdem streifenförmige Bereiche 19 und 21 auf, die sich parallel zur Bewegungsbahn 17 der Schleifkontakte 14 entlang eines Teils der Längsstreifen der Widerstandsbahn 10 erstrecken, so daß sich eine kammartige Struktur der Kontaktierung 12 mit drei "Zähnen" ergibt. Eine erfindungsgemäße Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels umfaßt lediglich die äußeren streifenförmigen Bereiche 19 und 21, jedoch keinen zwischen diesen angeordneten streifenförmigen Bereich 18. Eine weitere erfindungsgemäße Abwandung umfaßt einen oder mehrere streifenförmige Bereiche 18 zwischen parallel zur Bewegungsbahn verlaufenden äußeren Abschnitten der Widerstandsbahn 10, jedoch keine an diesen Peripherieabschnitten angeordneten streifenförmigen Bereiche. Falls periphere streifenförmige Bereiche 19 und 21 vorgesehen sind, können dazwischen einer oder mehrere streifenförmige Bereiche 18 angeordnet sein.

Die Kennlinie des in Fig. 1 dargestellten Potentiometers gemäß der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt, wobei hier das Potentiometer wiederum als Spannungsteiler mit der Versorgungsspannung U₀ betrieben wird. In Fig. 2 sind die Bereiche A und C mögliche Endpositionen der Schleifkontakte 14, was den Spannungsbereichen E₁' und E₂' entspricht. Wie gut zu erkennen ist, knickt die Kennlinie des Potentiometers an den Grenzen zwischen den Bereichen A und B bzw. B und C stark ab, was auf die bewußt herbeigeführte Nichtlinearität der Kontaktierung im Endbereich des Potentiometers zurückzuführen ist. Der Auflösungsbereich des Potentiometerausgangs R' ist verglichen zu dem Auflösungsbereich R des herkömmlichen Potentiometers (vgl. Fig. 6) wesentlich vergrößert, ohne daß jedoch die Länge der Potentiometerbahn vergrößert werden müßte. Dies stellt einen erheblichen Vorteil für eine nachgeschaltete Steuerung dar.

Die Länge eines jeden der streifenförmigen Bereiche 18, 19, 21 kann zwischen 5% und 20% der Länge der Widerstandsbahn betragen. Als vorteilhaft haben sich 15% herausgestellt. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform liegt der Widerstandswert im Bereich B bei ca. 13 Ohm/Winkelgrad, während der Widerstandswert im Bereich A (und C) bei ca. 6,4 Ohm pro Winkelgrad liegt.

Auch wenn in Fig. 1 als eine Ausführungsform der Erfindung ein Potentiometer mit sechs Schleifkontakten dargestellt ist und die Kontaktierung einen streifenförmigen Bereich aufweist, der zwischen jeweils drei Schleifkontakten positionierbar ist, so ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese besonders vorteilhafte Ausführungsform beschränkt. Es sei festgestellt, daß auch lediglich ein Schleifkontakt ausreichend ist, und daß die Kontaktierung 12 auch andere Formen aufweisen kann. Anstelle des streifenförmigen Bereiches 18, der mittig ausgebildet ist, kann der streifenförmige Bereich auch am Rand der Potentiometerbahn vorgesehen sein, so daß in der Aufsicht eine L-förmige Kontaktierung gegeben ist. Auch kann die Kontaktierung 12 kammförmig oder U-förmig ausgebildet sein, wobei sich die Schleifkontakte 14 zwischen die "Zähne" bzw. zwischen die Schenkel des "U" bewegen lassen. Eine delta­ förmige Anordnung der Kontaktierung ist ebenfalls denkbar. Sofern die Kontaktierung zwar gemäß der Erfindung, jedoch nicht in den Endbereich der Potentiometerbahn ausgebildet wird, lassen sich auf einfache Weise beliebige Variationen der Kennlinie des Potentiometers herbeiführen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Potentiometers gemäß der Erfindung, das den gleichen prinzipiellen Aufbau wie das in Fig. 1 dargestellte Potentiometer besitzt. Jedoch ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Potentiometer eine zusätzliche Silberbeschichtung 22 vorgesehen, die auch den Bereich A überdeckt, in dem eine Normale zur Bewegungsbahn 17 des Schleifkontaktes 14 die Grenzkontur 20 zwischen Kontaktierung 12 und Widerstandsbahn 10 schneidet. Die Silberbeschichtung 22 weist die gleiche Länge wie die streifenförmigen Bereiche 18, 19, 21 und die gleiche Breite wie die Widerstandsbahn 10 auf. Mit anderen Worten ist die Silberbeschichtung 22 sektorförmig und überdeckt den gesamten Bereich A.

Die Silberbeschichtung 22 ist mit einer Schichtdicke in der Größenordnung von 2 bis 3 µm mittels Siebdruck aufgebracht. Hierbei ist die Silberbeschichtung zwischen der elektrischen Kontaktierung 12 und der Widerstandsbahn 10 angeordnet, d. h. es wird zunächst die elektrische Kupferkontaktierung 12 auf den Grundkörper (z. B. eine Leiterplatte) aufgebracht und anschließend wird die sektorförmige Silberbeschichtung 22 mittels Siebdruck aufgebracht. Im Anschluß daran wird die Widerstandsbahn 10 aufgebracht, die dann die Bereiche A und B ganzflächig überdeckt.

Fig. 4 zeigt die Kennlinie des in Fig. 3 dargestellten Potentiometers. Wie insbesondere ein Vergleich mit den Fig. 2 und 6 zeigt, knickt die Kennlinie in den Bereichen A und C so stark ab, daß eine horizontale Kennlinie gebildet ist, d. h. die Widerstandsänderung pro Winkelgrad geht gegen Null. Durch diese bewußt herbeigeführte Nichtlinearität der Kontaktierung im Endbereich des Potentiometers ist dessen Auflösungsbereich noch weiter vergrößert, ohne daß jedoch die Länge der Potentiometerbahn vergrößert werden muß.

Claims (15)

1. Potentiometer, mit

• - einer Widerstandsbahn (10) mit zumindest einer elektrischen Kontaktierung (12); und
• - zumindest einem Schleifkontakt (14), der auf der Widerstandsbahn (10) zwischen zwei Positionen bewegbar ist;
  dadurch gekennzeichnet, daß eine Normale zur Bewegungsbahn (17) des Schleifkontaktes (14) die Grenzkontur (20) zwischen Kontaktierung (12) und Widerstandsbahn (10) schneidet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Grenzkontur (20) zumindest abschnittweise parallel zu der Bewegungsbahn (17) des Schleifkontaktes (14) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung (12) einen streifenförmigen Bereich (18) oder mehrere streifenförmige Bereiche (18, 29, 21) aufweist, die eine U-förmige oder kammförmige Struktur bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei nebeneinanderliegende und parallelgeschaltete Schleifkontakte (14) mit einem gegenseitigen Abstand vorgesehen sind, der größer als die Streifenbreite ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbahn (17) des Schleifkontaktes (14) die Kontaktierung (12) nicht kreuzt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung (12) eine Leiterbahn, vorzugsweise aus Kupfer, ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahn (10) die Kontaktierung (12) mit Ausnahme einer Anschlußfahne (16) vollständig überdeckt.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Bereiches (A), in dem eine Normale zur Bewegungsbahn (17) des Schleifkontaktes (14) die Grenzkontur (20) zwischen Kontaktierung (12) und Widerstandsbahn (10) schneidet, zwischen 5% und 20%, vorzugsweise 15% der Länge der Widerstandsbahn (10) beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (A), in dem eine Normale zur Bewegungsbahn (17) des Schleifkontaktes (14) die Grenzkontur (20) zwischen Kontaktierung (12) und Widerstandsbahn (10) schneidet, zumindest teilweise zusätzlich mit einer gut leitfähigen Beschichtung (22) versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (22) eine Schichtdicke in der Größenordnung von wenigen µm, vorzugsweise 2 bis 3 µm, aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (22) durch Siebdruck aufgebracht ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (22) zwischen der elektrischen Kontaktierung (12) und der Widerstandsbahn (10) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (22) die gleiche Breite wie die Widerstandsbahn (10) und vorzugsweise die gleiche Länge wie der Bereich (18) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (22) aus Silber oder aus Gold besteht.

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem elektrischen Stellantrieb, vorzugsweise zur Rückmeldung einer Winkelstellung, eingebaut ist.