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Widerstandsteil eines Schiebewiderstandes
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Die Erfindung betrifft ein Widerstandsteil eines Schiebewiderstandes,
in welchem ein Abgriffgleiter auf der Oberfläche eines auf einem Isolierstoffträger
befindlichen Widerstandsstreifens entlang gleitet.
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Sogenannte Dünnfilmwiderstände, bei denen auf einem Isolierstoffträger
eine dünne Metallfilmwiderstandsschicht angeordnet ist, die im Vakuum, im Kathodensputterverfahren
oder durch Plattieren aufgebracht ist, besitzen bessere Eigenschaften als bekannte
Metallackwiderstände oder gedruckte Widerstände hinsichtlich ihres Temperaturkoeffizienten,
des Abgriffgleitgeräusches oder der Belastbarkeit, doch haben die Dünnfilmwiderstände
wegen der geringen mechanischen Festigkeit gegenüber dem Abgriffgleiter kurze Lebensdauer
und damit als Schiebewiderstand nur begrenzte Brauchbarkeit.
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Ein Dünnfilmwiderstand der Substrattype, der durch ein subtraktives
Behandlungsverfahren (Maskenätzverfahren)
erhalten wird, ist in
der US-PS 4 220 945 beschrieben, weist eine dreischichtige gedruckte Schaltungsplatte
mit einer aufgebrachten Metalldünnfilmwiderstandsschicht auf, die beispielsweise
durch Plattieren auf einer Seite einer Kupferfolie gewonnen wird, über die eine
isolierende Trägerplatte geschichtet wird. Der Widerstandstemperaturkoeffizient
dieses Widerstandes, seine Gleichmäßigkeit und andere Eigenschaften sind besser.
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Er ist außerdem leicht, er reißt nicht leicht oder schuppt nicht leicht
ab und ist billig herzustellen. Dennoch ist diese Metalldünnfilmwiderstandsschicht
des Widerstandes sehr anfällig bezüglich mechanischer Reibungskräfte.
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Daraus ergibt sich, daß der Widerstandswert eines Schiebewiderstandes
steigt, wenn der Abgriffgleiter über die Oberfläche der Metalldünnfilmwiderstandsschicht
hin- und hergeschoben wird. Ohne eine Schutzschicht aus einem isolierenden Harz
ist außerdem die Widerstandsschicht anfällig gegenüber Feuchtigkeit, Hitze und Lötmittel.
Daraus ergibt sich, daß der auf einem Substrat aufgebrachte Dünnfilmwiderstand sich
als Widerstandselement für einen Stellwiderstand mit Gleiterabgriff nicht eignet.
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Es wurde auch bereits ein Widerstand eingesetzt, der zahlreiche goldplattierte
Elektroden aufwies, die im Muster der Zähne eines Kammes auf einer Metalldünnfilmwiderstands
schicht angebracht waren und auf denen ein Abgriffgleiter verschoben wurde. Sind
jedoch sehr feine Einstellungen des Widerstandswertes erforderlich, so ist ein solcher
Widerstand ungeeignet, da die Änderungen des Widerstandswertes stufenweise und nicht
kontinuierlich erfolgen. Außerdem benötigt dieser Widerstand für den Abgriffgleiter
einen Elektrodenabschnitt, wodurch ein zusätzlicher Platz in der Breite des Widerstandes
nötig wird. Zudem sind Elektroden mit dem Muster der Zäh-
ne eines
Kamms insoweit von Nachteil, als die abgelagerte Goldplattierung der Elektroden
in Form von feinen Partikeln bei zahlreichen Gleitbewegungen des Abgriffgleiters
immer mehr abgeschabt werden. Dadurch können zwischen den einzelnen Elektroden Kurzschlüsse
entstehen.
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Mit der Erfindung sollen die vorstehend aufgeführten Mängel herkömmlicher
Widerstände vermieden werden, weshalb mit der Erfindung ein Teil für einen Gleiterabgriffstellwiderstand
geschaffen wird, bei welchem auf einem Isolierstoffträger eine Dünnfilmwiderstandsschicht
aufgebracht ist, auf deren Oberfläche der Abgriffgleiter entlanggeführt wird, und
bei dem die Dünnfilmwiderstandsschicht auf dem Isolierstoffträger ein auf den Träger
aufgeklebtes Hauptwiderstandsmuster und darüber ein schützendes Widerstandsschichtmuster
aufweist, das einen höheren Flächenwiderstand als das Hauptwiderstandsmuster aufweist.
Im einzelnen sind zur Erläuterung der Erfindung in der Zeichnung dargestellt in
Fig. 1 eine Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig.
2 einen Schnitt nach der Linie a-a' in Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 und 5 Schnitte nach den Linien b-b' und
c-c' in Fig. 3.
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Der erfindungsgemäße Dünnfilmwiderstand ist mehrschichtig aufgebaut,
und der Gesamtblattwiderstand der filmartigen Widerstandsschicht ist die Summe der
Blatt- oder Folienwiderstände der Hauptwiderstandsschicht und der Schutz-
widerstandsschicht.
Da der Widerstandswert der Hauptwiderstands schicht kleiner als der Widerstandswert
der Schutzwiderstandsschicht ist, dominiert ersterer den Gesamtwiderstandswert der
Widerstandsfilmschicht. Die Hauptwiderstandsschicht ist zudem durch die Schutzwiderstandsschicht
abgedeckt, so daß sie durch von außen wirkende Kräfte anläßlich der Gleitbewegung
nicht beschädigt werden kann.
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Eine Metalldünnfilmwiderstandsschicht, die ja bekanntlich sehr gute
Eigenschaften hinsichtlich des Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, kann in diesem
Falle vorteilhaft -als Hauptwiderstandsschicht eingesetzt werden.
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Fig. 1 in Draufsicht und Fig. 2 als Querschnitt entlang der Linie
a-a' in Fig. 1 zeigen einen Isolierstoffträger 1, Kupferelektroden 2 und eine Filmwiderstandsschicht
3, die aus Hauptwiderstandsschicht 31 und Schutzwiderstandsschicht 32 besteht. Im
Gebrauch gleitet ein (nicht gezeigter) Abgriffgleiter über die Oberfläche der Schutzwiderstandsschicht
32. Damit kommt über die Schutzwiderstandsschicht 32 eine elektrischvleitende Verbindung
zwischen Abgriffgleiter und Hauptwiderstandsschicht 31 zustande, und da die Schutzwiderstandsschicht
32 äußerst dünn ist, ist ihr Widerstand senkrecht zur Schichtebene vernachlässigbar.
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Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen in Draufsicht bzw. in Schnitten nach den
Linien b-b' und c-c' ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Isolierstoffträger
1, einer Elektrode 2, einer Filmwiderstandsschicht 3, einer Gleiterabgriff-Schiene
4 und Befestigungslöchern 5.
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Aus Fig. 4 sind die Hauptwiderstandsschicht 31 und eine Schutzwiderstandsschicht
32 und ferner ein durch Plattierung auf der Oberfläche der Abgriffgleiter-Schiene
angebrachter Goldfilm 41, eine Kupferfolie 42 und eine Hauptwiderstandsschicht 43
erkennbar. Fig. 5 zeigt einen durch Plattierung auf der Oberfläche der Elektrode
2 aufgebrachten Goldfilm 21, eine Kupferfolie 22 und die Hauptwiderstandsschicht
23. Der Isolierstoffträger 1 kann ein Plättchen aus Keramik, Glas, einem Glas-Epoxidharzlaminat,
einem Papier-Epoxidharzlaminat oder einem Papier-Phenolharzlaminat sein.
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Die Hauptwiderstandsschicht besteht aus einem elektrischen Widerstandsmaterial
mit einer Dicke von 0,01 bis 7 m und einem Schichtwiderstand von 5 Ohm je Flächeneinheit
bis 30 Kiloohm je Flächeneinheit. Die Hauptwiderstandsschicht kann ein Metalldünnfilmwiderstand
sein, der durch Elektroplattierung, nicht-elektrolytisches Plattieren, im Kathodensputterverfahren,
durch Vakuumaufdampen oder im chemischen Aufdampfverfahren aufgebracht ist, oder
ein Metallkeramikwiderstand, der durch Brennen einer Mischung aus Metall und Keramik
aufgebracht ist, sein. Die Schutzwiderstandsschicht besteht aus einem elektrischen
Widerstandsmaterial mit einer Dicke von 10 bis 30 ßm und einem Schichtwiderstand
von 100 Ohm je Flächeneinheit bis 300 Kiloohm je Flächeneinheit. Vorzugsweise wird
die Schutzwiderstandsschicht aus einem .abriebfesten Material hergestellt, z.B.
aus einer Paste, die ein elektrisch leitfähiges Pulver, wie Kohlenstoffpulver, Silberpulver
oder Nickelpulver und ein thermisch aushärtendes Harz, wie Epoxidharz oder Polyimidharz,
enthält, oder aus einer Paste, in der ein Edelmetall, wie Gold, Silber oder Palladium,
ein Grundmetall, wie Nickel und Glasstaub enthalten sind. Das abriebfeste Material
wird durch Aufdrucken und Aushärten oder Backen aufgebracht.
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Es ist nötig, daß der Flächenwiderstand der Schutzwiderstandsschicht
größer als der der Hauptwiderstandsschicht ist. Vorzugsweise ist der erstere Widerstandswert
das 5- bis 300fache des letzteren. Bei dem mit drei Schichten aufgebauten Schiebewiderstand
wird vorteilhaft ein Metalldünnfilmwiderstand, insbesondere ein durch Elektroplattieren
erhaltener, als Hauptwiderstandsschicht 31 verwendet, während als Schutzwiderstandsschicht
32 eine gedruckte Widerstandsschicht verwendet wird, die durch Aufdrucken einer
Kohlenstoff-Harz-Paste und thermisches Aushärten dieser aufgebrachten Paste erhalten
wird.
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Der Widerstandswert des Schiebewiderstandes gemäß der Erfindung bildet
sich aus der Summe der Widerstandswerte der Hauptwiderstandsschicht 31 und der Schutzwiderstandsschicht
32. In einer Schichtenkombination, in der der Schichtwiderstandswert der Schutzwiderstandsschicht
das 100-fache desjenigen der Hauptwiderstandsschicht beträgt, ist der Unterschied
zwischen dem Gesamtwiderstandswert und dem Widerstandswert der Hauptwiderstandsschicht
etwa 1 %. Der Widerstandswert der Hauptwiderstandsschicht bestimmt also praktisch
den Widerstandswert.des Schiebewiderstandes.
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Die Eigenschaften der Schutzwiderstandsschicht, wie ihr Widerstandstemperaturkoeffizient,
die Lebensdauer, die Feuchtigkeitssicherheit, ihre Festigkeit bezüglich Wärmeschocks,
beeinflussen die Eigenschaften des Schiebewiderstandes vernachlässigbar, so daß
die äußeren Eigenschaften des Schiebewiderstandes praktisch durch die Eigenschaften
der Hauptwiderstandsschicht bestimmt sind. Damit können durch geeignete Auswahl
der Materialien der Hauptwiderstands schichten der Schutzwiderstandsschicht Teile
für Schiebewiderstände hergestellt werden, die die gewünschten elektrischen Widerstands
eigenschaften haben und dem Abgriffgleiter sehr gute mechanische Widerstandsfähigkeit
entgegensetzen.
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Nachfolgend wird die Erfindung an ausgeführten Beispielen in Verbindung
mit typischen Herstellungsverfahren näher erläutert.
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Beispiel 1 Eine Seite einer Kupferfolie, die in vorgeschriebenen Abmessungen
zugeschnitten wurde, wurde mit einer maskierenden Klebeschicht bedeckt (Produkt
der Nitto Electric Industrial Co., Ltd. unter der Markenbezeichnung SPV Nr. 224:
Polyvinylchloridfolie mit druckempfindlichem Kleber auf Acrylbasis). Die so beschichtete
Kupferfolie wurde dann in eine Reinigungslösung getaucht (neutrale Oberflächenreinigungslösung
aus einer 1:1-Mischung aus Neutra-Clean 68-Konzentrat von Shipley mit Wasser) und
3 min lang bei 400C darin gehalten. Daran schloß sich ein Wasserbad an. Als Nächstes
wurde die beschichtete Kupferfolie 3 min lang in eine 20%ige wässrige Salzsäurelösung
getaucht, mit deionisiertem Wasser gewaschen und in einem Plattierungsbad folgender
Zusammensetzung behandelt: 19,0 g/l SnCl2 2H2O, 30,o g/l NiCl2-6H2O, 200 g/l- K4P2O73H2O,
20 20 g/l Nitroethan, 10 g/l Ammoniumzitrat, eine geringe Menge einer 28%igen wässrigen
Ammoniaklösung zur pH-Werteinstellung (pH 8,2 bei 25°C), und zwar bei 50°C mit einer
Stromdichte von 0,1 A/dm² unter Verwendung einer Nickelplatte als Anode und während
20 s -im ruhig belassenen Bad. Bei dieser Elektroplattierung ergab sich einseitig
auf der Kupferfolie eine Widerstandsschicht von 0,02 Am Stärke. Die abgelagerte
Widerstandsschicht der Sn-Ni-Legierung hatte einen Schichtwiderstand von 100 Ohm/Flächeneinheit.
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Als Nächstes wurde über die Widerstandsschicht ein mit Epoxidharz
imprägniertes Glasgewebe gedeckt und unter Druck- und Wärmeanwendung in einer Presse
zu einem Isolierstoffträger gepreßt. Damit war ein Substrat in Form einer gedruckten
Schaltung mit einer Widerstandsschicht erhalten. Dieses Substrat wurde auf der Seite
der Kupferfolie mit einem Photowiderstandsfilm abgedeckt (z.B. Liston 16S der Firma
DuPont) und in üblicher Weise so belichtet und entwickelt, daß nur die Teile der
Kupferfolie belichtet wurden, die den Kupferelektroden 2 in Fig. 1 entsprechen.
Die freiliegenden Flächen der Kupferfolie wurden dann mit einer Lötschicht von etwa
5 ßm Stärke beschichtet. In herkömmlichen Verfahren wurde der Photowiderstand danach
beseitigt. Anschließend wurde die gesamte Oberfläche der Kupferfolie erneut mit
dem Photowiderstand überzogen, belichtet und entwickelt, so daß nur die Bereiche
des Photowiderstandes bestehen blieben, die der Widerstandsfilmschicht 3 in Fig.
1 entsprechen, während die übrigen Bereiche des Photowiderstandes weggeätzt wurden.
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Die Oberfläche der so behandelten Kupferfolie wurden mit einer ammoniakhaltigen
Kupferätzlösung behandelt ("Alkali Etch" der Firma Yamatoya Shokai), wodurch die
freiliegenden Bereiche der Kupferfolie weggeätzt wurden.
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Als Nächstes wurde die durch den Atzvorgang freigelegte Widerstandsschicht
mit einer Ätzlösung behandelt, die 12,5 Mol/l Phosphorsäure, 4x103 Mol/l Kupferphosphat,
Rest Wasser, enthielt, und darin bei 850C während 10 min der Isolierstoffträger
freigeätzt.
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Der noch auf dem Substrat verbliebene Photowiderstand wurde danach
abgezogen und die auf dem Widerstandsmuster befindliche Kupferfolie durch Ätzen
in oben beschriebener Weise entfernt. Während dieser Ätzbehandlung wurde der
Elektrodenteil
der Kupferfolie gegen den Ätzvorgang durch die Lotbeschichtung, die bereits vorher
aufplattiert war, geschützt. In der Widerstandsschicht, die so zwischen den Kupferelektroden
2 gebildet worden war (diese Widerstands schicht entspricht der Hauptwiderstandsschicht
31 gemäß der Erfindung), betrug der Widerstandswert 20 Kiloohm.
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Schließlich wurde die freiliegende Widerstandsschicht zwischen den
Kupferelektroden 2 mit einer Karbonharzpaste (z.B. "LTR 2103" der Firma Method Development
Corp., einer Graphit-Epoxidharz-Paste) durch Bedrucken mit einer Siebmaske von 200
Mesh Siebfeinheit überdeckt und dann bei 1630C während 2,5 h gebacken, so daß eine
20 am starke Schutzwiderstandsschicht erhalten wurde.
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Dieselbe Schutzwiderstandsschicht allein in einem gesondert gefahrenen
Versuch zeigte einen Schichtwiderstandswert von 10000 Ohm je Flächeneinheit, während
das nach dem obigen Verfahren erhaltene Schiebewiderstandsteil einen Widerstandswert
von 19,9 Kiloohm je Flächeneinheit zwischen den beiden Elektroden hatte.
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Anschließend wurde ein Vielfachkontakt-Abgriffgleiter mit einem Gesamtkontaktdruck
von 35 g mit 100.000 Gesamtbewegungsspielen (je ein Hin- und Hergang) und einer
Geschwindigkeit von 2000 Bewegungsspielen pro h über das Widerstandselement geführt.
Zwischen den Messungen vor und nach der Dauerbeanspruchung wurde eine Widerstandserhöhung
um 3,2 % festgestellt.
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In einem Vergleichsversuch auf einem ohne die Schutzwiderstandsschicht
nur mit der freiliegenden Hauptwiderstandsschicht versehenen Schiebewiderstandsteil
stieg der Widerstandswert auf das 5-fache des Anfangswertes,
nachdem
der Abgriffgleiter 50 Bewegungsspiele (90 s lang) mit einer Geschwindigkeit von
200 Bewegungsspielen pro h ausgeführt hatte. In der nachfolgenden Tabelle 1 bei
in det sich ein Ergebnisvergleich von Prüfungen dreier Widerstände hinsichtlich
ihres Widerstandstemperaturkoeffizienten, ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen
Temperaturen, gegenüber hoher Feuchtigkeit, gegenüber Feuchtigkeit unter Belastung
und gegenüber thermischen Schocks zusätzlich zu den Gleiteigenschaften, wobei ein
Widerstand gemäß der Erfindung nach vorliegendem Beispiel, ein Widerstand, der nicht
mit der Schutzwiderstandsschicht beschichtet war (Vergleichswiderstand 1) und ein
gedruckter Widerstand (Vergleichswiderstand 2) gegenübergestellt sind, der durch
Drucken und Aushärten der als Überzugsmittel verwendeten Karbonpaste hergestellt
wurde.
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Tabelle 1 Untersuchung Bedingungen des Versuchs Widerstand gemäß Vergleichs-
Vergleichs-Erfindung widerstand 1 widerstand 2 Widerstands- Temperaturbereich :
+50 PPM/°C +50 PPM/°C +450 PPM/°C temperatur- -55°C bis +155°C koeffizient Gleiteigenschaft*
Mehrfachkontaktgleiter (gesamter +3,2% +500% + 2,7% Kontaktdruck 35 g) 100.000-mal
50-mal 100.000-mal Gleitergeschwindigkeit 2000 Spiele/h Widerstandsfähig- 240 h
ohne Belastung in normaler +0,5% +2,3% +7,4% keit gegenüber Atmosphäre bei 100°C
hoher Temperatur* Widerstandsfähigkeit 500 h ohne Belastung bei 85°C und +1,2% +14,3%
+10,7% gegenüber hoher Feuchtig- 85 % relative Feuchte keit * Widerstandsfähigkeit
bei 40°C und 90 % rel. Feuchte +0,3% +7,5% +13,4% gegenüber Feuchtigkeit während
1000 h und 1 W/cm² der unter Belastung* Widerstandsfläche Widerstandsfähigkeit 100
Zyklen von abrupten Temperagegenüber thermischem tursprüngen zwischen -55°C x 30
min +0,3% +1,2% +15,0% Schock* auf +125°C x 30 min.
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*Die angegebenen %-Angaben sind Widerstandswertänderungen zwischen
Anfang und Ende der Behandlung.
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Beispiel 2 Auf einem Glasplättchen von 40 mm Länge, 15 mm Breite und
0,5 mm Stärke ("1723" der Firma Corning; Kalk-Tonerde-Silikat) wurde im Vakuum ein
Keramikmetall (Cr-SiO) aufgebracht. Vor der Vakuumablagerung wurde das Substrat
bei 3000C für 30 min für die Entgasung thermisch behandelt.
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Die Vakuumablagerung vollzog sich bei 3000C und 1 bis 5 2x10 Torr.
Nach der Vakuumablagerung wurde das Substrat 60 min lang bei 3000C einer Wärmebehandlung
unterzogen, und es wurde eine Filmstärke von 300 Ä und eine Mustergestalt von 5
mm x 100 mm erreicht.
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Der so erhaltene abgelagerte Film hatte einen Schichtwiderstand von
300 Ohm pro Flächeneinheit und einen Widerstandswert von 6 Kiloohm pro Flächeneinheit
zwischen den Elektroden.
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Auf der im Vakuum abgelagerten Schicht der Metallkeramik wurde dann
eine dickschichtige Widerstandspaste aus Rutheniumoxid (Thermalloy 600" der Thermatronics
Trading Co., Ltd.) mittels einer Siebmaske von 200 Mesh aus rostfreiem Stahl aufgedruckt.
Die aufgedruckte Paste konnte sich während 20 min bei 200C im Niveau ausgleichen
und wurde dann 20 min lang bei 1200C getrocknet und anschließend 10 min lang bei
600 bis 6300C gebacken, womit eine 20 ßm starke Schutzwiderstandsschicht hergestellt
war. Der Schichtwiderstand der Schutzwiderstandsschicht allein betrug 8700 Ohm/Flächeneinheit
und der Widerstand zwischen den beiden Elektroden des Stellwiderstandes betrug 8,5
Kiloohm je Flächeneinheit.
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Ein Mehrkontaktabgriffgleiter mit einem Gesamtkontaktdruck von 35
g wurde in 100.000 Spielen mit 2000 Spielen/h über den Widerstand geführt. Ein Vergleich
der Messungen vor und
nach dem Verschleißversuch ergab eine Widerstandserhöhung
von etwa 1 %.
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In einem Vergleichsversuch wurde ein Filmwiderstand aus der oben beschriebenen
Metallkeramik (Flächenwiderstand von 300 Ohm je Flächeneinheit) ohne die dicke Schicht
der beschriebenen Paste Abriebsversuchen unter denselben Bedingungen unterzogen.
Von 10 Versuchsobjekten endeten 2 mit vorzeitiger Unterbrechung, während in 8 Fällen
nach 10.000 Bewegungsspielen der Widerstandswert nach Ende des Versuches um mehr
als 30 % zugenommen hatte. Mit Ausnahme der vorstehend erwähnten Gleitabriebeigenschaften
wurden die sonstigen Eigenschaften einschließlich Widerstandstemperaturkoeffizient
als nicht erwähnenswert durch die Beschichtung mit der dicken Schicht beeinflußt.