DE3779964T2

DE3779964T2 - Resistives bandelement, verfahren zur herstellung und verwendungen.

Info

Publication number: DE3779964T2
Application number: DE8787109895T
Authority: DE
Inventors: Walter C Lovell
Original assignee: Tapeswitch Corp of America
Current assignee: Tapeswitch Corp of America
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1987-07-09
Publication date: 1993-01-28
Anticipated expiration: 2007-07-10
Also published as: EP0253304B1; JP2854828B2; EP0253304A3; EP0253304A2; DE3779964D1; JPS6387707A; CA1297140C; JP2545545B2; CA1279887C; JPH097801A; US4758815A

Description

Es wurden in der Vergangenheit zahlreiche Versuche unternommenen, ein sicheres, zuverlässiges und kostengünstiges flaches elektrisches Heizungsband herzustellen, das zur Heizung von Böden, Wänden u.dgl. geeignet und nützlich ist. Das Verfahren zur Erzeugung von Wärme, in dem elektrischer Strom durch Graphit- oder Halbleitermaterial durchgeleitet wird, ist sehr alt, und es wurden in der Vergangenheit viele Versuche gemacht, ein Band einfacher Gestalt einzuführen, das preisgünstig herstellbar ist und das von der Gefahr einer Überhitzung frei ist, die eine Feuergefahr darstellen würde.
Elektrische Heizungsbänder sollen außerdem unempfindlich und dazu geeignet sein, kompakt aufgerollt zu werden, um sie problemlos transportieren und lagern zu können. Ein bekannter Vorschlag verwendet metallische Leiter hohen elektrischen Widerstands wie Nickelchromdrähte, die in einen Kunststoffträger eingebettet sind, wobei die Leiter zur Erzeugung von Wärme miteinander in Reihe geschaltet sind. Wenn ein Paar dieser Drähte in einen solchen Träger verwendet werden, müssen sie zur Herstellung eines geschlossenen Stromkreises in Reihe geschaltet werden, nachdem der Träger auf eine gewünschte, oftmals unbestimmte Länge geschnitten worden ist. Die Herstellung der notwendigen Verbindungen zwischen den beiden Drähten an Anschlußabschnitten des Bandes nach dessen Durchtrennung ist jedoch ein Ärgernis und außerdem kann die Verbindungseinrichtung eine Gefahr darstellen, wenn zum Betrieb des Bandes z.B. 115 V verwendet werden. Ferner muß die Länge des Bandes zur angelegten Spannung in Beziehung gesetzt werden, so daß der Anwender des Bandes beim Abschneiden einer gewünschten Länge des Bandes nicht frei ist.
Die US-A 3 387 248 von Rees lehrt die Überlagerung eines Graphitträgers mit einem Paar leitender Streifen, so daß das Graphitsubstrat die Leiter überbrückt, wodurch sich unnötigerweise zwischen Endabschnitten der doppelt parallelen Leiter im Gegensatz zur oben genannten Anordnung, welche doppelte Nickelchromdrahtleitungen verwendet, die in Reihe geschaltet sind, eine elektrische Verbindung ergibt. Es werden jedoch elektrisch leitende Kleber verwendet, um die parallelen Leiter mit dem Graphitträger zu verbinden. Die Verwendung eines solchen zusätzlichen Klebers erzeugt jedoch Probleme, da das Band oftmals gewellt wird, wenn es z.B. an einem Rohr angebracht oder nach dem Transport aufgerollt wird, was selbst eine Lockerung der andererseits engen erforderlichen Verbindung verursacht, die notwendig ist, um am Anschluß zwischen den parallelen Leitern und dem Widerstandsträger einen gleichmäßigen Stromfluß aufrechtzuerhalten. Dieses Problem wird durch die Ausführungen in Spalte 2 dieses Patentes deutlich gemacht, wo es heißt, daß zur Verbesserung der Fixierung der Elektrode diese mechanisch mit der Lage oder Schicht verankert sein kann, was z.B. durch Ineinanderflechten der Elektrode mit dem gewellten oder faserigen Träger erfolgen kann, wenn ein solcher angewendet wird, oder was wahlweise durch Umbiegen bzw. Verkrimpen der Elektrode an der Schicht oder Lage erfolgen kann (bevor eine Einbettung in den kaltvernetzenden Gummi erfolgt).
Jede Lockerung oder Lösung der Verbindung zwischen den elektrischen Doppelleitern und dem Heizsubstrat ist äußerst nachteilig, da infolge des resultierenden hohen Spannungsgradienten über den Luftspalt zwischen der Oberfläche des elektrischen Leiters und dem das Widerstandselement bildenden Material "überhitzte Stellen" erzeugt werden können. Derartige "überhitzte Stellen" (hot spots) bilden eine Feuergefahr, da die sich bildenden Funken in den Luftspalten eine Überheizung erzeugen und auch eine Zerstörung der elektrischen Anschlußstelle möglich ist.
Der oben genannte mechanische Verankerungsvorschlag ist ähnlich dem Vorschlag gemäß US-A 3 385 955 von Ames, wonach die elektrischen Doppelleiter an den leitenden wärmeerzeugenden Träger angenäht oder geschichtet sein können. Dieser Vorschlag ist jedoch unreif und bildet bei der Durchführung im entsprechenden Herstellungsprozeß ein Ärgernis. Zusätzlich besteht hier der Mangel, daß die gewünschte Flexibilität des Bandes infolge der Anwendung der vorgeschlagenen Technologien im allgemeinen nicht gewährleistet ist, der Hersteller jedoch in der Lage sein sollte, das Heizungsband in relativ kompakten Rollen zu transportieren bzw. das Band dazu geeignet sein sollte, während der Installation um scharfe Kanten herumgebogen werden zu können.
Gemäß GB-A 2 065 430 werden ein Paar leitende Streifen auf einem Heizungsträger aus Graphit angeordnet. In diesem Patent ist kein Vorschlag gemacht, einen Verbindungsvermittler zwischen den Doppelleitern und dem Träger vorzusehen, und folglich funktioniert dieses Band ohne "überhitzte Stellen" nur dann, wenn es um ein Rohr oder eine Leitung gewickelt ist, um die Leiter eng an den Heizungsträger anzulegen. Diese Ausbildung ist in Fig.1 dieses Patentes dargestellt.
Es wird nun Bezug genommen auf die US-A 4 485 297 von Grise u.a. Heizungsbänder werden derzeit entsprechend den Lehren dieses Patentes hergestellt, wobei ein Streifenmuster aus Graphitgranulat angewandt wird, das mittels Siebdruckes auf den Träger aufgebracht wird. Dieses Verfahren ist teuer und erfordert eine enge kontrollierte Dicke der Graphitpastenmischung zur Herstellung der Streifen sowie der gedruckten Breite jedes Heizungsstreifens, um die Ausbildung von Luftspalten und die daraus resultierenden überhitzten Stellen zu vermeiden. Die Graphitstreifen müssen eine hohe Leitfähigkeit besitzen, um einen ausreichend niedrigen elektrischen Widerstand auszubilden, wie er zur Erzeugung einer entsprechenden Wärmemenge notwendig ist. Das Problem überhitzter Stellen wird durch Erhöhung der Dicke der Graphitstreifen an den Kontakten gelöst, die eine gekrümmte Gestalt besitzen, wie in Fig. 2 dieses Patentes dargestellt ist. Dadurch wird eine Art "Sandhaufen" unter den gekrümmten Leitern erzeugt, so daß die Partikel dazu neigen, unter den gekrümmten Leiterstreifen zu rollen, wenn das Band gewickelt oder gebogen wird, wodurch der Kontakt aufrechterhalten wird und folglich die Bildung von Luftspalten minimiert ist, die zu Funken und überhitzten Stellen führen würden.
Es ist folglich höchst wünschenswert, eine einfache Ausbildung eines Heizungsbandes zu realisieren, das kostengünstig herzustellen ist, und das konsistente Wärmemengen entsprechend einer gegebenen, an das Band angelegten elektrischen Spannung erzeugt, ohne daß eine Gefahr einer Überhitzung gegeben ist, wie sie infolge überhitzter Stellen möglich wäre, die durch Ungleichmäßigkeiten in den elektrischen Verbindungen oder die durch Ungleichmäßigkeiten des die Wärme erzeugenden Widerstandsmaterials erzeugt würden. Es ist ferner äußerst wünschenswert, ein ultradünnes Band zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Probleme minimiert, das leicht aufgerollt werden kann, ohne die elektrischen Verbindungen zwischen der Widerstandsschicht und den Anschlußleitern zu dehnen, was in einem ungleichmäßigen Stromfluß und möglichen überhitzten Stellen resultieren würde, und das zwischen den Anschlußleitern und dem diese überbrückenden Widerstandselement keinen zu Fehlern neigenden elektrisch leitenden Kleber anwendet.
Erfindungsgemäß weist das elektrische Widerstandselement einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter, die voneinander entfernt sind, und einen Streifen eines magnetischen Aufzeichnungsbandes auf, das eine bestimmte Breite besitzt und einen ersten und einen zweiten Bandabschnitt aufweist, wobei der erste Bandabschnitt fest und dauerhaft mit dem ersten Leiter verbunden und elektrisch leitend kontaktiert ist und der zweite Bandabschnitt fest und dauerhaft mit dem zweiten Bandabschnitt verbunden und elektrisch leitend kontaktiert ist.
Vorteile von Ausbildungen dieses Widerstandselementes sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beansprucht.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Widerstandselementes ist in den Ansprüchen 10 und 18 beansprucht. Die auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüche beanspruchen vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß der Erfindung wird ein praktisches, kostengünstiges, laminiertes Heizungsband angewandt, welches überraschenderweise in einer parallelen Brückenausbildung ein gewöhnliches, kommerziell verfügbares magnetisches Aufzeichnungsband verwendet. Die Anschlußleitfähigkeit zwischen den Spannungsanschlußleitern und dem magnetischen Aufzeichnungsband sollte einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen als der Pfad durch das Magnetband hindurch, um die oben genannte Möglichkeit einer Funkenbildung, die zur Erzeugung von "überhitzten Stellen" führen würde, zu vermeiden. Die kritische Überlappungsfläche zwischen den Randabschnitten des Bandes und den Leitern muß kontinuierlich einen festen Kontakt aufrechterhalten, wenn das Band gewickelt, geringelt oder verdreht wird. Die Ausbildung des Heizungsbandes erzeugt zwischen den Randabschnitten des Aufzeichnungsbandes und den Spannungsanschlußleitern während der Lebensdauer des Bandes einen hohen Druck, der die gewünschten Ergebnisse ohne die Notwendigkeit elektrisch leitender Kleber realisiert.
Durch die Aufrechterhaltung eines relativ niedrigen Druckes zwischen den Randabschnitten des Magnetbandes und den Leitern kann ein druckempfindliches Widerstandselement hergestellt werden, so daß die Zunahme des Druckes auf die Oberfläche des Elementes in einer wesentlichen Erniedrigung seines elektrischen Widerstandes resultiert. Dieser zweite Typ der Erfindung ist extrem nützlich bei der Durchführung anderer Aufgaben, wie der Druckmessung insbes. bei Anwendungen wie Robotern, bei welchen für eine Druckmeßvorrichtung nur ein kleiner Platz vorhanden sein kann. Folglich wird ein neues Widerstandselement zur Verfügung gestellt, das ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional ist zu dem auf das Element ausgeübten Druck oder zu der Fläche, auf der die Kraft ausgeübt wird, und das auch einfach verwendet werden kann bei einer Alarmanlage, die einfach zwischen dem Gewicht/Druck eines Kindes oder Haustieres und dem Gewicht/Druck eines Eindringlings zu unterscheiden vermag, der in ein geschütztes Grundstück eindringt, und das einfach unter groben oder kleinen Teppichen o.dgl. angeordnet werden kann. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie eine transportable Wägeeinrichtung bildet, die keine starre relativ massive Plattform benötigt, und die von einer Person transportiert werden kann.
Der druckunempfindliche Typ der Erfindung kann entsprechend einem neuen Verfahren zur kostengünstigen und einfachen Herstellung dünner flacher Präzisionswiderstände verwendet werden, die nicht die groben Toleranzen normaler Graphitmasswiderstände besitzen. Außerdem können die erfindungsgemäßen Präzisionswiderstände einfach vom Endverbraucher kundenspezifisch erzeugt werden. Ein zweites neues Verfahren ermöglicht die "vor Ort"-Herstellung vollständiger kundenspezifischer Netzwerke von Präzisionswiderständen durch die selektive Entfernung von Abschnitten des Widerstandselementes. Neue Verfahren der Massenproduktion der druckempfindlichen und der druckunempfindlichen Bänder werden ebenfalls beschrieben.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, wie sie in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen länglichen Widerstandselementes,
Fig. 2 eine Endansicht eines ersten Typs des Elementes,
Fig. 3 eine Ansicht des Elementes von oben,
Fig. 4 eine Installation des Heizungsbandes,
Fig. 5 ein Verfahren zur Herstellung von kundenspezifischen Präzisionswiderständen,
Figuren 6-8 Verfahren zur Herstellung von Widerstandsnetzwerken gemäß der Erfindung,
Fig. 9 eine Endansicht eines zweiten Typs des Elementes mit einem Paar Laminierwalzen zum Laminieren eines solchen Elementes,
Fig. 10 ein druckempfindliches Element, das als eine Druckmeßvorrichtung verwendet wird,
Fig. 11 eine Anwendung eines druckempfindlichen Widerstandselementes in einem Roboter.
Fig. 12 ein druckempfindliches Element, das in einem Alarmschaltkreis verwendet wird,
Fig. 13 einen Aspekt des Alarmschaltkreises von Fig.12,
Fig. 14 druckempfindliche Widerstandselemente, die als transportable Wägeeinrichtung verwendet werden, und
Fig. 15 eine andere Ausbildung des neuen druckempfindlichen Bandes.
Fig. 1 zeigt eine erste und eine zweite vorgewärmte längliche Kunststofflage 1 und 2, die einen wärmeaktivierbaren Kleber aufweisen und die in den Einlaß 6 von Walzen 7 und 8 gemeinsam mit flachen parallelen Bandleitern 3 und 4 und einem länglichen Streifen eines normalen kommerziell verfügbaren magnetischen Aufzeichnungsbandes 5 eingebracht werden, wodurch ein laminierter Sandwich-Verbund der genannten Komponenten erzeugt wird, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Die Lagen 1 und 2 können aus "Mylar" (eingetragenes Warenzeichen) Polyester bestehen und mit einem üblichen wärmeaktivierbaren Kleber wie Polyäthylen beschichtet sein, um miteinander entlang von Randflächen 11 und 12 laminiert zu werden, wie aus den Figuren 1, 2 und 3 ersichtlich ist. Diese Laminierverfahren sind allgemein bekannt und werden in großem Umfang zur Herstellung von Datenkarten, Führerscheinen und Abzeichen angewandt.
In Fig. 2, die einen ersten druckunempfindlichen Typ der Erfindung darstellt, überlappen relativ schmale äußere Randabschnitte 17 und 19 des Aufzeichnungsbandes die inneren Randabschnitte 22 und 23 der Bandleiter 3 und 4. In der bevorzugtesten Ausbildung des druckempfindlichen Typs weist die Überlappungsfläche eine Breite um 1,6 mm (1/16 inch) auf. Es ist ersichtlich, daß die inneren Randabschnitte der Bandleiter durch einen Spalt getrennt sind, der eine gegebene Spaltbreite besitzt, und die äußeren Randabschnitte 20 und 20' der Leiter sind von den äußeren Rändern 25 und 25' der länglichen Kunststofflagen entfernt angeordnet, wodurch Randabschnitte gebildet werden, die ein dichtes Laminieren der ersten und der zweiten Kunststofflage miteinander ermöglichen. Als ein Ergebnis des Laminierverfahrens werden die Randabschnitte des magnetischen Aufzeichnungsbandes innerhalb der Überlappungsfläche während der Lebenszeit des Heizungsbandes unabhängig von der Orientierung des Bandes während seiner Verwendung kontinuierlich eng gegen die inneren Randabschnitte der Bandleiter gepreßt. Eine gewöhnliche Strahlenheizung bringt den wärmeaktivierbaren Kleber auf eine Temperatur im Bereich um 395 bis 410ºK (250 bis 275ºF), um mit den Laminierwalzen 7 und 8 von Fig. 1 eine gute Laminierung zu erzeugen. Bei der Herstellung eines druckunempfindlichen Widerstandselementes, das als Heizungsband oder das als elektrischer Widerstand verwendet wird, beträgt der Laminierdruck vorzugsweise mindestens 12 N/cm (7 pounds/linear inch) entlang der Länge des Einlasses 6 zwischen den Walzen 7 und 8, und die gemeinsame Dicke der Kunststoffstreifen, der Leiter und des magnetischen Aufzeichnungsbandes beträgt vorzugsweise weniger als 250um (10/1000 inch).
Wie oben beschrieben worden ist, soll das Widerstandselement einen gleichmäßigen Widerstand besitzen und ein niedriger Widerstand sollte folglich an der Kontaktstelle zwischen dem Magnetbandwiderstandsabschnitt des Elementes und den Spannungszufuhrstreifenleitern aufrechterhalten werden. Gewöhnliche, in großem Umfang verfügbare preisgünstige magnetische Aufzeichnungsbänder besitzen üblicherweise eine Dicke zwischen 10 und 40 um (0,5 bis 1,5/1000 eines inches) bzw. weniger als 50 um, sie weisen einen Kunststoffträger mit einer Suspension auf, die Ferrite oder magnetische Oxidpartikel enthält. Obwohl jedes handelsübliche magnetische Aufzeichnungsband gute Ergebnisse ergibt, werden Studiobänder bevorzugt. Eine detaillierte Beschreibung derartiger Bänder ist in Van Nostrand's Scientific Encyclopedia, 6. Ausgabe, Vol. 2, Seite 1804 gegeben. Für die verschiedenen handelsüblich verfügbaren Magnetbandgrößen wurde festgestellt, daß der Spalt für das erfindungsgemäße druckunempfindliche Element relativ groß sein soll, da bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Widerstandselementes für Heizungsbänder und Präzisionswiderstände im allgemeinen ein passend hoher Widerstandswert gewünscht ist. Bspw. ist der Spalt zwischen den innenseitigen Rändern der leitenden Bänder bei 22 und 23 typischerweise 3 mm (1/8 inch) für ein Aufzeichnungsband mit einer Breite von 5 mm (3/16 inch). Breitere Bänder erfordern breitere leitende Spalte und es wurde festgestellt, daß das Verhältnis von Bandbreite zu Spalt vorzugsweise zwischen 1,06 und 1,6 betragen soll. Die Laminierung von Kunststofflagen unter Wärme und Druck, wie sie oben beschrieben worden ist, ermöglicht die Aufrechterhaltung eines guten elektrischen Kontaktes selbst dann, wenn Wärme und Druck das Band nicht tatsächlich an die magnetischen Bänder 3 und 4 ankleben; es ist trotzdem überraschend, daß kein Kleber zum Zusammenbonden notwendig ist. Handelsübliche verfügbare Aufzeichnungsbänder mit einer Dicke von 12 um (0,5 mils) werden bevorzugt, wobei die oben beschriebenen Kontaktstellen hohen Widerstands laminiert worden sind. Bei Heizungsbändern und Präzisionswiderständen ist der resultierende hohe innere Druck auf das Band, wie oben beschrieben worden ist, derartig, daß eine weitere Erhöhung des auf das Band während seiner Verwendung ausgeübten Druckes keine wesentliche Änderung des Widerstandswertes des Bandes bewirkt.
Fig. 4 zeigt einen Hauptabschnitt eines beheizten Hauses 31, das einen unbeheizten Anbau 32 aufweist. Der druckunempfindliche Typus der Erfindung kann auf jede gewünschte Länge geschnitten und dort angeordnet werden, wo er gebraucht wird. Bspw. können Streifen des Heizungsbandes 30, wie aus den Figuren 1, 2 und 3 ersichtlich, an jedem beliebigen Ort an den Wänden oder auf dem Boden des unbeheizten Anbaus 32 des Hauses installiert und auf die gewünschten Längen geschnitten werden. Band- oder Streifenleiter 3 und 4 sind elektrisch an eine Spannungsquelle 33 angeschlossen, bei der es sich um eine 110 V Wechselspannungsquelle handeln kann, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt wird. Zur Energieversorgung des Heizungsbandes kann ein Klemmanschluß an jedem Ort des Heizungsbandes angeordnet werden. Wenn der Anschluß angeklemmt wird, durchdringen ein erster und ein zweiter Punktkontakt die Kunststoffoberfläche und "beiden" an Abschnitten 36 und 37 von Fig. 3 in den ersten und zweiten Streifenleiter 3 und 4. Nach dem Abschneiden der passenden Länge des Heizungsbandes können die Enden mittels einer Heißschmelzpistole abgedichtet werden. Das Band kann auch zum Erwärmen anderer Innenräume wie Kraftfahrzeugmotoren verwendet werden. Zu diesem Zweck kann eine 12 V- Batterie verwendet werden.

Präzisionswiderstände

Eine zweite wichtige Anwendung des druckunempfindlichen Widerstandselementes des ersten erfindungsgemäßen Typs ist in Fig. 5 dargestellt. Gewöhnliche Graphitwiderstände besitzen große Toleranzen und es ist hochgradig wünschenswert, ein kostengünstiges Verfahren zu schaffen, mit dem es einem Anwender oder Hersteller möglich ist, Präzisionswiderstände einfach und schnell mit einem gewünschten Widerstandswert herzustellen. Erfindungsgemäß wird ein druckunempfindliches Band, wie es oben beschrieben ist, auf eine Länge geschnitten, die umgekehrt proportional zuia gewünschten Widerstandswert ist. Wenn ein Anwender z.B. einen 200k Ohm-Widerstand herstellen will, schneidet er das Band mit einer Schere oder einem schwenkbaren Papierschneidmesser in einem Abstand von 1,25 cm (1/2 inch) vom rechtsseitigen Ende 42 bei 43 quer durch. Die Anschlußverbindung wird durch Stifte 35 und 35' hergestellt, die durch die Leitbänder 3 und 4 durchgetrieben werden, und ein Draht wird um die Stifte herumgewickelt. Die Drahtwickeltechnik ist allgemein bekannt, sie verwendet ein in großem Umfang verfügbares angetriebenes Wickelwerkzeug ähnlich einem dicken Füllhalter. Eine Lötung ist nicht erforderlich. Wird der Schnitt bei 46 in einem Abstand von 2,5 cm (1 inch) vom rechten Rand 42 durchgeführt, so ergibt sich ein Präzisionswiderstand von 100k Ohm. Auf ähnliche Weise ergibt ein Schnitt bei 47, d.h. 25 cm (10 inch) vom rechten Ende 42 entfernt einen Widerstand von 120k Ohm. Dieses Ergebnis folgt aus der bekannten Formel für die Parallelschaltung elektrischer Widerstände
RX = R1R2/(R1+R2).
Bspw. hat ein 25 cm -Schnitt (10 inch) die Wirkung von zehn parallelgeschalteten Widerstandseinheiten eines 2,5 cm (1 inch)-Schnittes. Wenn es gewünscht wird, können verschiedene sichtbare Markierungen an diesen Positionen vorgesehen sein, die für einen Anwender eine Hilfe darstellen. V-förmige Kerben 48 bilden exemplarische Hilfen bei der Herstellung eines Präzisionsschnittes und demzufolge bei der Herstellung eines exakten Widerstandswertes. Die oben angegebenen aktuellen Werte wurden durch das Durchschneiden eines 6 mm (1/4 inch) breiten "Scotch" Eisenoxidaufzeichnungsbandes von 3M Corporation erzeugt, das eine Dicke von 25 um (1 mil) besitzt.
Fig. 7 zeigt eine bekannte Anordnung eines elektrischen Schaltkreises mit zwei elektrischen Widerständen. In Fig. 6 sind die oftmals ungenauen bekannten Graphitwiderstände von Fig. 7 ersetzt durch Bandsegmente des druckunempfindlichen Typs der Erfindung, und ein Loch 51 ist durch den unteren Bandleiter 4 über seine gesamte Breite gestochen, wie dargestellt ist, um auf diese Weise die unteren Abschnitte der Widerstände voneinander elektrisch zu isolieren. Andererseits sind die oberen Widerstandsabschnitte durch den oberen Bandleiter 3, der ungelocht bleibt, elektrisch miteinander verbunden. Der Bandabschnitt rechts vom Loch 51 hat eine Länge von 2,5 cm (1 inch) (vom Punkt 50' zum Punkt 55'), und der Abschnitt links vom Loch (von 50' nach 65') hat eine Länge von 1,25 cm (1/2 inch). Demzufolge hat der rechte Widerstand den halben Widerstandswert (100k Ohm) des linken Widerstands (200k Ohm). Die resultierenden Widerstände, die mittels des oben beschriebenen Laminierverfahrens hergestellt sind, besitzen üblicherweise eine Dicke von weniger als 250 um (10 mils) und können folglich dort verwendet werden, wo das Platzangebot begrenzt ist, da sie zwischen Schaltungskomponenten durchgezogen werden können. Desgleichen ist die Wärmeverteilung wesentlich, weil diese Widerstände eine relativ große Fläche besitzen. Dieses Verfahren ist selbstverständlich nicht beschränkt auf individuelle Anwender sondern es kann in der Massenproduktion elektronischer Schaltungen verwendet werden.
Fig. 8a zeigt eine typische bekannte Schaltung mit einer Vielzahl elektrischer Widerstände zur Stromversorgung einer linearen Reihe von LED's. Im Vergleich hierzu zeigt Fig. 8b eine äquivalente Schaltung, welche den druckunempfindlichen Typus des erfindungsgemäßen Widerstandselementes anwendet. Die oben erwähnten durchgestochenen Löcher 51 sind wieder dargestellt, um die elektrisch isolierten Abschnitte des bandförmigen Widerstandselementes zu verdeutlichen. Z.B. ist der Anschluß 61 mit dem LED 62 durch den Bandabschnitt 63 verbunden, der von den anderen Bandabschnitten mittels des durchstochenen Loches 51 elektrisch isoliert ist. Im Gegensatz hierzu ist der Anschluß 64 jedoch an die Anschlüsse 66, 67 und 68 über drei Widerstände 69, 70 und 71 angeschlossen, wie in Fig. 8a dargestellt ist. Das Ergebnis ist einfach dadurch erreicht, daß die durchstochenen Löcher vom oberen Bandleiter 3, der zwischen dem durchstochenen Loch 51'' und dem durchstochenen Loch 76 angeordnet ist, weggelassen ist. Unter der Annahme, daß jemand wünscht, den Anschluß 64 elektrisch mit allen LED's zu verbinden, ist das einfach dadurch erreichbar, daß eine Ausstanzung irgendeines Abschnittes des oberen Bandleiters 3 weggelassen wird. Die Weglassung einer ausgewählten Basis von durchstochenen Löchern innerhalb des unteren Bandabschnittes 4 ergibt eine genaue Steuerung der Werte der Widerstände, wie oben erläutert worden ist. Folglich ist festzuhalten, daß das erfindungsgemäße Verfahren, das den druckunempfindlichen Bandtypus anwendet, gemeinsam mit dem ausgewählten Ausstanzen von Abschnitten der Bandleiter in einer äußerst flexiblen Methode zur Realisierung kundenspezifischer elektrischer Schaltungen resultiert.

Druckempfindliche Ausbildungen

Fig. 9 zeigt schematisch ein laminiertes Erzeugnis, das durch Wärme und Druck entlang von Bandabschnitten 12 und 11 zusammenlaminiert ist, wie weiter oben beschrieben worden ist. Die flachen Bandleiter 3 und 4 sind jedoch durch einen relativ engen leitenden Spalt voneinander getrennt, wie bei 81 gezeigt wird. Anders als beim druckunempfindlichen Widerstandselement, wie es oben beschrieben worden ist, wird der Druck zwischen dem magnetischen Aufzeichnungsband und den inneren Abschnitten der Bandleiter innerhalb der Überlappungsfläche ausreichend niedrig aufrechterhalten, um wesentliche Widerstandsänderungen des Widerstandselementes nach der Ausübung von Druck auf das Element während seiner Lebensdauer zu erzeugen. Dieses Ergebnis wird vorzugsweise bei der Herstellung realisiert durch die Ausbildung einer ringförmigen Aussparung oder Rinne. 83 in der Walze 7, so daß an der Überlappungsfläche zwischen dem magnetischen Band 5 und den Streifenleitern 3 und 4 ein relativ niedriger Druck aufrechterhalten wird. Ein guter Laminierverbund wird jedoch an den genannten Randabschnitten 11 und 12 erzeugt. Dieser Effekt ermöglicht es, das Aufzeichnungsband durch zusätzlichen, von außen angewandten Druck zu pressen, um hierdurch während der Lebensdauer des Bandes eine wesentliche Reduktion seines elektrischen Widerstandes zu realisieren. Zusätzlich werden die Anderungen des Widerstandes des Aufzeichnungsbandes durch die Erzeugung einer größeren Überlappungsfläche zwischen dem Aufzeichnungsband und den inneren Randabschnitten der Bandleiter 3 und 4 vergrößert. Das wird durch einen Vergleich der Fig. 9 mit der Fig. 2 ersichtlich. Mit anderen Worten, ein von außen einwirkender Druck verursacht eine Kompression im Aufzeichnungsband, die über einen wesentliche größeren Abschnitt des Bandes verteilt wird, um die Widerstandsänderungen als eine Funktion der gemessenen Druckänderungen zu vergrößern und an das Widerstandselement nach dessen Herstellung zu liefern. Es wird festgestellt, daß die geeigneten Verhältnisse der Breite des Aufzeichnungsbandes 5 zur Breite des Spaltes 81 mindestens 1,5 betragen. Für ein Band mit einer Breite von 5 mm (3/16 inch) ist ein Spalt von 0,8 mm (1/32 inch) wünschenswert, was einem Verhältnis von 6 entspricht. Für ein Band mit einer Breite von 25 mm (1 inch) ist ein minimaler Spalt von 1,6 mm (1/6 inch) erwünscht, was einem Verhältnis von 16 entspricht.
Ein druckempfindliches Widerstandselement ist schematisch in Fig. 10 dargestellt, wobei ein Strom in das Element durch eine Spannungsquelle, bspw. eine Batterie 91, eingeleitet wird, die in Reihe geschaltet ist mit Streifenleitern 3 und 4, einem Widerstand 99 und mit Eingangsanschlüssen 92 und 92' eines Verstärkers 93 über einen veränderbaren Widerstand 94, der zu Eichzwecken verwendet werden kann. Änderungen des Widerstandes des Elementes werden durch diese Anordnung erfaßt und eine analoge Anzeige des Stromes, der zu jeder Zeit durch das Element fließt, erfolgt durch das Meßgerät 95.
Bei Robotern ist es extrem wichtig, zwischen den Roboterfingern, die in Fig. 11 schematisch dargestellt und mit der Bezugsziffer 101 und 102 bezeichnet sind, einen konstanten gesteuerten Druck aufrechtzuerhalten. Ein Zylinder 103 ist an eine pneumatische Druckquelle 104 angeschlossen, mit welcher gegen einen Kolben 106 ein Druck ausgeübt wird. Der Kolben ist über ein Gestänge 107 mit dem Roboterfinger 101 verbunden. In dieser Ausbildung erzeugen Änderungen des pneumatischen Druckes im Druckzylinder 103 Änderungen der Kraft, die durch das Fingerelement 101 gegen ein Werkstück ausgeübt wird, das mit der Bezugsziffer 109 bezeichnet und schematisch dargestellt ist. Der gewünschte Druck kann konstant durch die Anwendung einer Rückkopplungsservosteuerschaltung 111 aufrechterhalten werden, mit der eine Steuerung der pneumatischen Druckquelle 104 in an sich bekannter Weise durchgeführt wird. Der Zylinder 103 kann sehr klein sein, so daß es hochgradig wünschenswert ist, einen Drucksensor zur Verfügung zu haben, der ebenfalls klein und dünn ist, um ihn in den Zylinder 103 einsetzen zu können. Ein quadratischer oder rechteckiger Abschnitt 105 des erfindungsgemäßen druckempfindlichen Bandelementes ist auf der rechten Seite des Druckzylinders angeordnet und an einen Verstärker 93' angeschlossen, um in der oben in Verbindung mit Fig. 10 beschriebenen Art wirken zu können. Folglich zeigt die Fig. 11 eine wichtige nützliche Anwendung der druckempfindlichen Ausbildung des erfindungsgemäßen bandförmigen Widerstandselementes.

Diebstahlsicherungsalarm

Eine Anzahl erfindungsgemäßer druckempfindlicher länglicher Widerstandselemente, wie sie in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben worden sind, können unter einem kleinen Teppich in parallelen Streifen angeordnet sein, wie in Fig. 12 gezeichnet ist. Die Bandleiter 3 und 4 der Streifen sind über Anschlüsse 135 parallel an eine einstellbare Schwellwertvorrichtung 134 angeschlossen, die selbst an jeden bekannten Alarmanzeiger 136, wie in Fig. 12 gezeigt ist, angeschlossen ist. Stromänderungen entsprechend dem Gewicht eines Eindringenden auf das Element lösen den Alarm aus. Da das längliche erfindungsgemäße druckempfindliche Band sehr preisgünstig herstellbar ist, kann eine große Anzahl paralleler Streifen dieses Bandes unter kleinen Teppichen angeordnet werden, um sehr große Flächen zu bedecken. Ausführungsbeispiele von Schwellwertvorrichtungen, welche Triacs und Schmitt Trigger verwenden, sind auf den Seiten 421, 592 und 593 der "Encyclopedia of Electronic Circuits", Tab Books, 1985 beschrieben. Fig. 13 zeigt Spannungen V, die an einstellbare Schwellwertvorrichtungen 134 als eine Funktion des Druckes angelegt werden. Die Schaltung 134 ist derart eingestellt, daß das Gewicht eines erwachsenen Menschen oder Tieres ein Eingangsspannungsniveau erzeugt, das an die Einheit 134 geliefert wird durch den Spannungsabfall am Widerstand 99', der in Reihe geschaltet ist mit der Quelle 91'. Dieses Spannungsniveau übersteigt das Niveau 137, das selbst die Alarmanlage 136 betätigt. Andererseits erzeugt das Gewicht eines Haustieres oder eines Kindes ein unzureichendes Spannungsniveau, um den Alarm auszulösen, da die Widerstandsänderungen, die im Aufzeichnungsband in den druckempfindlichen Bändern erzeugt wird, zu klein sind.

Transportable Wägeeinrichtung

Fig. 14 zeigt eine flexible Matte 111, die druckempfindliche Bänder 100 enthält, die in ihrer Längsrichtung nebeneinander in der Matte vorgesehen sind. Wie in Fig. 12 sind die Bandleiter 3 und 4 der Bänder in der Matte zueinander parallel geschaltet und an eine LED- Gewichtsanzeigeschaltung 113 (digitales Voltmeter) über einen Verstärker 114 angeschlossen. Die Schaltung ist batteriebetrieben, so daß eine 230 mm x 300 m - Matte 111 (9'' x 12'') aufgerollt und z.B. von einem Anwender in einer großen Paketschachtel getragen werden kann. Die Matte wird ausgerollt und der Benutzer steht auf der Matte an Stellen, die durch die Bezugsziffern 116 und 117 bezeichnet sind, um das Gewicht des Benutzers zu registrieren.
Gewichtserhöhungen reduzieren die Bandwiderstände und erhöhen den Spannungsabfall am Widerstand 112, der mit der Batterie 91' in Reihe geschaltet ist. Der Widerstand 100 wird eingestellt, um den Nullpunkt der Gewichtsskala zu eichen. Gewichtsabnahmen erhöhen die Bandwiderstände und erzeugen den umgekehrten Effekt. Folglich ergibt die Ausbildung gemäß Fig. 14 eine preisgünstige transportable Wägeeinrichtung, die keine herkömmliche Wägeplattform benötigt.

Druckempfindlicher Bandein- und ausschalter

Fig. 15 zeigt einen druckempfindlichen Bandschalter mit einem Träger 120, auf dem Streifen- oder Bandleiter 3 und 4 und längliche federnde Streifen 121 und 122 angeordnet sind. Die federnden Streifen sind vorzugsweise um 130 um (1/5000 inch) dick und bestehen aus Polyester. Ein Aufzeichnungsband 5 ist an der Unterseite eines gewellten Abdeckstreifens 123 angeordnet, der selbst am Träger 120 entlang Seitenabschnitten 126 und 127 befestigt ist. Die federnden Tragstreifen halten den Streifen des magnetischen Aufzeichnungsbandes 5 über den Bandleitern 3 und 4 jedoch von diesen kontaktfrei, so daß normalerweise zwischen den Leitern ein offener Schaltkreis gegeben ist. Nach der Ausübung von Druck auf den oberen gewellten Abdeckstreifen 123 überbrückt das Aufzeichnungsband 5 elektrisch die Leiter 3 und 4 und ergibt einen Widerstand, der umgekehrt proportional zum Druck variiert, der gegen den Abdeckstreifen 123 wirksam ist. Der Bandschalter kann in einer Rolle 125 gelagert und transportiert werden, wie in Fig. 16 gezeigt wird, wobei die Wellen 123 behilflich sind, das Band eng aufzurollen. Das ist in bezug auf eine ökonomische Lagerung des Bandes von besonderer Wichtigkeit, das auf jede gewünschte Länge geschnitten werden kann und das in Verbindung mit der Alarmanlage gemäß Fig. 12 verwendet werden kann, wie oben beschrieben worden ist. Im Gegensatz zum druckempfindlichen Band, wie es oben beschrieben worden ist, fließt der Strom so lange nicht durch das Aufzeichnungsband 5, obwohl es wie in Fig. 12 in Reihe geschaltet ist mit einer Spannungsquelle, bis auf den Streifen 123 der entsprechende Druck ausgeübt wird. Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil einer Batterieersparnis und der Vorteil einer Reduktion von Störungen, die in einer unerwünschten Aktivierung einer Alarmanlage resultieren.
Die obige Beschreibung ist nur exemplarisch, d.h. es sind zahlreiche Variationen bei der Realisierung der Erfindung möglich, so daß der Umfang der Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente begrenzt ist.

Claims

1. Elektrisches Widerstandselement mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter, die voneinander entfernt sind, und mit einem Streifen eines magnetischen Aufzeichungsbandes, das eine bestimmte Breite besitzt und einen ersten und einen zweiten Bandabschnitt aufweist, wobei der erste Bandabschnitt fest und dauerhaft mit dem ersten Leiter verbunden und elektrisch leitend kontaktiert ist und der zweite Bandabschnitt fest und dauerhaft mit dem zweiten Bandabschnitt verbunden und elektrisch leitend kontaktiert ist.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite elektrische Leiter und der Streifen des magnetischen Aufzeichnungsbandes zwischen Lagen aus Kunststoff laminiert sind, die durch die Anwendung von Druck Außenränder besitzen.

3. Widerstandselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen aus Kunststoff auf ihren Innenflächen einen wärmeaktivierbaren Kleber aufweisen.

4. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter längliche Streifen sind, die jeweils einen inneren und einen äußeren Randabschnitt aufweisen, wobei die inneren Randabschnitte durch einen Spalt voneinander getrennt sind und das Band parallel zu den Streifen positioniert und breiter als der Spalt ist und den Spalt elektrisch überbrückt, und daß das Verhältnis der Breite des Bandes zur Breite des Spaltes zwischen 1,06 und 1,6 liegt.

5. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter längliche Streifen sind, die jeweils einen inneren und einen äußeren Randabschnitt aufweisen, wobei die inneren Randabschnitte durch einen Spalt voneinander getrennt sind und das Band parallel zu den Streifen positioniert und breiter als der Spalt ist und den Spalt elektrisch überbrückt, und daß das Verhältnis der Breite des Bandes zur Breite des Spaltes größer als 1,5 ist.

6. Widerstandselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung in einem druckempfindlichen Bandschalter, bei dem eine federnde Stützeinrichtung den Streifen des magnetischen Aufzeichnungsbandes über den Leitern abstützt um einen Kontakt mit ihnen zu vermeiden, so daß nur ein auf den Bandschalter ausgeübter Druck das Band veranlaßt, die Leiter mit einem Widerstand zu überbrücken, der in Abhängigkeit von dem besagten Druck variiert.

7. Widerstandselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Stütz einrichtungen an einem Substrat befestigt sind und mindestens zwei längliche Streifen aus elastischem Material aufweisen.

8. Widerstandselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter dünne flache Bänder sind, die parallel zu den Streifen aus federnden Material angeordnet sind.

9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen des magnetischen Aufzeichnungsbandes an der Unterseite einer länglichen gewellten Abdeckung angeordnet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandselementes nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Zurverfügungstellen einer ersten und einer zweiten im wesentlichen elektrischen nichtleitenden länglichen Lage, die Außenränder aufweisen, welche die Breite der Lagen begrenzen, und die zum Zusammenlaminieren geeignet sind,

b) Anordnung eines ersten und eines zweiten dünnen flachen elektrischen Leiters zwischen den besagten Lagen in einem Abstand voneinander, so daß sich zwischen den Leitern ein Spalt ergibt, wobei die Leiter auch von den Außenrändern der länglichen Lagen entfernt sind um Randabschnitte zu bilden, welche die erste und die zweite Lage befähigen, innerhalb der Randabschnitt miteinander fest laminiert zu werden,

c) Anordnung von Abschnitten des magnetischen Aufzeichnungsbandes über dem ersten und zweiten elektrischen Leiter in Überlappung mit inneren Randabschnitten der Leiter innerhalb einer Überlappungsfläche, die eine bestimmte Breite besitzt, und

d) Zusammenlaminierung der elektrischen Leiter, des magnetischen Aufzeichnungsbandes und der ersten und zweiten Lage, wodurch die besagten Abschnitte des magnetischen Aufzeichnungsbandes danach innerhalb der Überlapplungsfläche kontinuierlich fest gegen die inneren Randabschnitte der Leiter gepreßt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (d) die Erzeugung eines Laminierdruckes zwischen dem magnetischen Aufzeichnungsband und den elektrischen Leitern innerhalb der Überlappungsfläche umfaßt, der groß genug ist, um jede wesentliche Änderung des Widerstandes des Elementes nach der Ausübung eines Druckes auf das Element zu verhindern.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite des Bandes zur Breite des Spaltes zwischen 1,06 und 1,6 liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (d) die Aufrechterhaltung des Laminierdruckes zwischen dem magnetischen Aufzeichnungsband und den elektrischen Leiter innerhalb der Überlappungsfläche umfaßt, wobei der Laminierdruck ausreichend niedrig ist, um nach der Anwendung von Druck auf das Element wesentliche Anderungen des Widerstandes des Widerstandselementes zu verursachen.

14. Verfahren nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite des Bandes zur Breite des Spaltes größer als 1,5 ist.

15. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Überlappungsfläche zwischen den Abschnitten des Bandes und den inneren Randabschnitten der elektrischen Leiter um ein Sechzehntel eines Inches (= 1,6 mm) beträgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11, 12 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Dicke des ersten und zweiten Kunststoffstreifens, der Leiter und des magnetischen Aufzeichnungsbandes kleiner als zehn Tausendstel eines Inches (= 0,25 mm) ist, und daß der Verfahrensschritt (d) mittels eines Walzenlaminators ausgeführt wird, der ein Paar Laminierwalzen anwendet, die einen Eingreifdruck von wenigstens sieben Pound pro linearem Inch (= 0,125 kg/mm) besitzen, der über die Breite der Lagen ausgeübt wird, und daß der Verfahrens schritt (d) die Erwärmung der Lagen auf eine Temperatur umfaßt, die eine Zusammenlaminierung der Lagen durch Wärme und Druck ermöglicht.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kombinierte Dicke des ersten und zweiten Kunststoffstreifens, der Leiter und des magnetischen Aufzeichnungsbandes kleiner als zehn Tausendstel eine Inches (= 0,25 mm) ist, und daß der Verfahrensschritt (d) mittels eine Walzenlaminators ausgeführt wird, der ein Paar Laminierwalzen anwendet, die zur Ausübung eines Laminierdruckes auf die Lagen hauptsächlich über die Randabschnitte vorgesehen sind, während auf dem nicht den Rand einschließenden Abschnitte nur ein kleiner oder kein Druck ausgeübt wird, und daß der Verfahrensschritt (d) die Erwärmung der Lagen auf eine Temperatur umfaßt, die eine Zusammenlaminierung der Lagen durch Wärme und Druck ermöglicht.

18. Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer elektrischer Widerstandselemente nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) zur Verfügungstellung mindestens eines länglichen elektrischen Widerstandselementes, das einen ersten und einen zweiten elektrischen Leiter aufweist, die voneinander getrennt sind, eines Streifens eines magnetischen Aufzeichnungsbandes, das eine vorgegebene Breite und einen ersten und einen zweiten Bandabschnitt aufweist, wobei der erste Bandabschnitt fest und dauerhaft mit dem ersten Leiter und der zweite Bandabschnitt fest und dauerhaft mit dem zweiten Leiter elektrisch kontaktiert wird und wobei die Leiter längliche Streifen sind, die jeweils einen inneren und einen äußeren Randabschnitt aufweisen, die inneren Randabschnitte durch einen Spalt voneinander getrennt sind und das Band breiter ist als der Spalt und den Spalt elektrisch überbrückt, und das Verhältnis der Breite des Bandes zur Breite des Spaltes zwischen 1,06 und 1,6 beträgt, und der Kontaktdruck zwischen dem magnetischen Aufzeichnungsband und den elektrischen Leitern groß genug ist, um jede wesentliche Änderung des Widerstandes des Elementes nach der Ausübung eines Druckes auf das Element zu verhindern, und

b) Abschneiden des längliche Widerstandselements zur Erzeugung eines Segmentes, das eine Länge besitzt, die umgekehrt proportional zum gewünschen Widerstand ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erleichterung des Abschneidens über das Band an genauen Positionen zur Herstellung von Widerständen eines genauen gewünschten Widerstandswertes entlang der Länge des länglichen Widerstandselementes in voneinander beabstandeten Intervallen sichtbare Markierungen vorgesehen sind.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Vielzahl von Widerständen selektiv vollständige Unterabschnitte von mindestens einem der elektrischen Leiter entfernt werden.