DE3911101A1 - Potentiometer - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Potentiometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Potentiometer sind in vielfältiger Form bekannt, so daß im folgenden lediglich stellvertretend auf eine Veröf­ fentlichung für viele in Form der DE-OS 32 24 069 verwiesen wird, die den grundsätzlichen Aufbau eines Präzisions-Drehpotentiometers genauer beschreibt.

Üblicherweise sind daher Präzisions-Drehpotentiometer im Grundaufbau so getroffen, daß ein Trägerflansch eine Platte lagert, auf welcher eine zur Zuführung der am Potentiometer anliegenden Spannung unterbroche­ ne Widerstandsmassebahn, üblicherweise auf Leitplastik­ basis sowie gegebenenfalls eine durchlaufende Kollek­ torring-Massebahn aufgebracht sind. Der Trägerflansch lagert ferner, gegebenenfalls über Kugellager, eine Welle, die ihrerseits den Abgriff trägt, der in Querrichtung von der Welle ausgehend einen an ihm befestigten Schleifer über die Widerstandspiste oder -bahn und gegebenenfalls die Kollektorpiste oder -bahn führt. Der Schleifer kann ein einstückiges metallisches Gleitteil sein und besteht üblicherweise aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter einzelner Schleiferfinger, die auf der Widerstandspiste und der Kollektorpiste gleiten, so daß die abgegriffene Spannung auf den Kollektor übertragen und dann von diesem abgenommen werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf ein solches Präzisions- Drehpotentiometer beschränkt, sondern für alle Arten von Stellwiderständen, linearen Längswiderstän­ den und Potentiometer geeignet, insbesondere für solche, bei denen sehr schnell ablaufende Bewegungen zu realisieren sind, etwa wenn sie als Sensoren oder Istwertgeber bei Maschinen oder Nachlaufregelun­ gen eingesetzt werden oder in Form von Drehpotentiome­ tern beispielsweise zur Erzeugung von Sägezahnspannun­ gen u. dgl. Spezielle Ausführungsformen solcher Präzisionspotentiometer, die beispielsweise im Schleiferbereich eine dämpfende Kunststoffbeschich­ tung zusätzlich tragen, sind in der Lage, mit unter­ schiedlichen, zum Teil sehr hohen Geschwindigkeiten sich unter Umständen millionenfach wiederholende Arbeitsdreh- oder Längsbewegungen durchzuführen, wobei die Notwendigkeit besteht, die ursprüngliche Linearisierung und den Spannungsgradienten möglichst unverfälscht über die Lebensdauer des Elementes aufrecht zu erhalten, auch bei entsprechender Alte­ rung, bei auftretendem Verschleiß u. dgl. Ein solcher Verschleiß ergibt sich deshalb, weil der auf der Leitplastikbasis gleitende Schleifer mit seinen Fingern (gegenseitigen) Abrieb verursacht, was zu Linearitätsveränderungen und auch zu einer Änderung des Übergangswiderstandes zwischen Schleifer und Piste im Sinne einer Erhöhung führen kann. Die Wirkung des Verschleißes und die Änderung der Lineari­ tätsverhältnisse können bis zum Ausfall des Poten­ tiometers führen.

Hier sind noch genauere Untersuchungen von Bedeu­ tung, die auf die spezielle Art des Verschleißes abstellen. Der üblicherweise auftretende abrasive Verschleiß ist ein linearer Verschleiß und kann in seiner Beziehung zur Lebensdauer, also über der Zeit mehr oder weniger vorausgesagt werden, auch in seinen Wirkungen und in den Änderungen, die sich an den Daten des Potentiometers voraussicht­ lich ergeben.

Eine zweite, wesentlich unangenehmere Verschleißwir­ kung ist der sogenannte adhäsive Verschleiß, der sich bei einer Paarung von Schleifer und Pistenmate­ rial beispielsweise dadurch ergibt, daß einer der Partner Material von dem anderen Partner aufnimmt und an sich anlagert, so daß es beispielsweise an diesem aufnehmenden Partner festklebt. Dieser adhäsive Verschleiß verschließt sich allerdings einer qualifizierten Voraussage, da er mehr oder weniger statistisch auftritt und auch nicht immer sichergestellt ist, daß es nun gerade der "harte" Partner bei der Materialpaarung ist, der stärker in Mitleidenschaft gezogen wird.

Der adhäsive Verschleiß beruht also auf Transportme­ chanismen zwischen den beiden Partnern und hängt vermutlich hauptsächlich von metallischen Oberflächen­ spannungen zum Beispiel des Schleifermaterials ab, so daß bei unglücklicher Paarung statt des üblichen Grenzflächenverhältnisses Schleifermaterial/ Piste mit einem doppelten Übergang gerechnet werden muß, also Schleifer/Pistenmaterial/Piste. Durch seine metallischen Oberflächenspannungen versucht der Schleifer sich mit anderem, verfügbarem Material zu überziehen, und dies ist dann üblicherweise das Pistenmaterial der Leitplastikbasis. Hierdurch können sich im Übergangsbereich zwischen Piste und Abgriff erheblich veränderte Widerstandsverhält­ nisse ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und bei einem Potentiometer beliebiger Art dafür zu sorgen, daß unter allgemeiner Vermeidung von Verschleißerscheinungen insbesondere der sogenannte adhäsive Verschleiß vermieden werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß üblicherweise sehr dünne, auf der Basis plasmatechnologischer Vorgänge aufgebrachte Hart­ schichten, vorzugsweise mit Metallzusatz, sowohl sehr gute Verschleiß- als auch Gleiteigenschaften aufweisen und, wie Versuche ergeben haben, gegen jede Art von adhäsivem Verschleiß geschützt sind und daher entsprechend auch Schleifer schützen können, auf deren Gleitflächen sie bevorzugt aufge­ bracht werden.

Hierbei hat sich herausgestellt, daß ein solchermaßen beschichteter Schleifer beispielsweise Durchläufe bei einem Drehpotentiometer in der Größenordnung von 10 Millionen zurücklegen kann, bis ein Abtrag dieser plasmatechnologisch aufgebrachten Hartcoating- Schicht etwa im stärker vorspringenden Mittenbereich der Schleiferfinger-Gleitfläche auftritt. Es läßt sich dann feststellen, daß nach nur weiterer kürzerer Betriebsdauer an dem durch den Abtrag der Hart­ coating-Schicht freigelegten eigentlichen Schleifer­ material wieder adhäsive Verschleißerscheinungen auftreten, also eine Anlagerung hier von Leitplastik­ material, während die angrenzenden, noch die Hart­ coating-Beschichtung aufweisenden Flächen völlig sauber und unbeeinflußt bleiben. Hieraus ergibt sich auch deutlich der Vorteil, der sich aufgrund einer solchen Beschichtung im Gleitbereich von Potentiometern realisieren läßt.

Grundsätzlich kann die Hartcoating-Schicht auch auf das herkömmliche Widerstandselement, also auf die Leitplastikbasis aufgebracht werden, wodurch sich in Verbindung mit geeigneten Schleifersystemen die erwähnten Vorteile ergeben; in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind es aber die Schleifer­ systeme selbst, die allein oder zusätzlich zu einer Hartcoating-Schicht auf dem Widerstandselement plasmatechnologisch beschichtet werden, so daß neben der allgemeinen Verschleißreduzierung auch wesentliche Verbesserungen im Bereich der erforder­ lichen Drehmomente Schleifer/Piste erzielt werden können.

Vorteilhaft ist ferner, daß durch die erreichten Fortschritte im Bereich der Plasmatechnologie das Aufbringen von Hartcoating-Schichten im Bereich oder jedenfalls nahe Raumtemperatur (< 200°C) durchgeführt werden kann, so daß eine merkliche Beeinflussung von Plastikmaterialien, die ebenfalls Verwendung finden können, beispielsweise auch das schon erwähnte Leitplastikmaterial für die Wider­ stands- und Kollektorpiste, ausgeschlossen werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Hartcoating-Schichten in Form sogenannter Diamond-like-Carbon(DLC)- bzw. Graphite-like-Carbon(GLC)-Beschichtungen, die Metall­ zusätze enthalten, so daß sich bestimmte Leitfähig­ keiten ergeben, die bis zu 10^-4 Ohm^-1 m^-1 betragen können. Es ist dann möglich, solche Schichten auch dicker aufzubringen, so daß sich besonders günstige Arbeitsbedingungen für den Dauerbetrieb ergeben.

Als Metallzusätze mit sehr guten Verschleiß- und Gleiteigenschaften können beispielsweise verwendet werden Wolfram (W), Tantal (Ta) und Niob (NB).

In diesem Zusammenhang ist noch darauf hinzuweisen, daß Metall enthaltende Kohlenwasserstoffverbindungen (metal-containing hydrogenated carbon films) in Form von Beschichtungen oder Filmen, die auf der Basis plasmatechnologischer Verfahren auf Träger aufgebracht werden, für sich gesehen schon bekannt sind, beispielsweise aus der Veröffentlichung: Appl. Phys. Lett. 50 (16), 20. April 1987 als Aufsatz von H. Dimigen, H. Hübsch und R. Memming aus dem Philips GmbH Forschungslaboratorium Hamburg.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Draufsicht in spezieller Anwendung auf ein Drehpoten­ tiometer parallel nebeneinanderliegende Widerstands- und Kollektorpisten, die von einem gemeinsamen Schleifer überstrichen werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, mindestens einen der Gleitpartner, die sich bei einem Stellwiderstand oder Potentiometer ergeben, also Schleifer und/oder die Leitplastikbasis mit einer nach plasmatechnologischen Gesichtspunkten hergestellten Hartcoating-Schicht zu versehen, so daß neben einer allgemeinen Reduzierung des abrasiven Verschleißes hauptsächlich der adhäsive Verschleiß beseitigt ist.

In Fig. 1, die zum allgemeinen Verständnis des Grundanwendungsgebiets vorliegender Erfindung angege­ ben ist, ist eine Trägerplatte 10 vorgesehen, auf welcher sich eine Widerstandsbahn 12 und eine Kollektor­ bahn 14 befinden.

Eine zentrale Achse 15 lagert, beispielsweise über einen Sprengring 16 befestigt, einen (metallischen) Abgriff 17, der seinerseits wieder einen aus mehreren einzelnen Schleiferfingern 18 und 19 bestehenden Schleifer so lagert, daß dieser mit seinen federnden Endbereichen auf der Widerstandsbahn 12 und der Kollektorbahn 14 aufliegt. Die Widerstandsbahn ist bei 20 unterbrochen, weist also Endbereiche auf, die der äußerem Spannungszuführung dienen.

Widerstandsbahn oder -piste und Kollektorbahn oder -piste bestehen üblicherweise aus einem speziellen Leitplastikmaterial, auf welchen die Schleiferfinger gleiten, die üblicherweise aus einer Legierung bestimmter edler Metalle wie Palladium Gold, Platin u.dgl. bestehen können, aber infolge dieser Beschichtung nunmehr auch aus kostengünstigeren Materialien, wie Kupfer- Beryllium oder Edelstahl, bestehen können.

Die Unterseite der Schleiferfinger im vorderen Ansatz, also dort, wo diese Schleiferfinger mit ihren Auflageflächen auf den Leitplastikschichten von Widerstands- und Kollektorpiste gleiten, wird entsprechend vorliegender Erfindung mit den Hartcoating- Schichten versehen, die auf plasmatechnologischer Grundlage aufgebracht werden, so daß sich als Schichten sogenannte Metall-Carbon-Wasserstoffe oder Graphit- Carbon-Wasserstoffe, aber auch isolierende Polyamid­ schichten ergeben. Durch Metallzusätze zu den Metall- Carbon-Wasserstoff- bzw. den Graphit-Carbon-Wasserstoff­ schichten gewinnt man die elektrische Leitfähigkeit, die erforderlich ist, während man bei isolierenden Polyamidschichten in Form von Hartcoatings bevorzugt mit sehr dünnen Schichtdicken arbeitet, die beispiels­ weise im Bereich von 10 Nanometer liegen. Durch diese geringe Schichtdicke gelingt es, die Polyamid- Isolationsschicht elektrisch unsichtbar zu machen, wobei die Leitfähigkeit beispielsweise von Tunnel­ elektroden übernommen werden kann.

Die andere und hier bevorzugte Art einer Hartcoating- Schichtausbildung umfaßt die schon genannten Metall- bzw. Graphit-Kohlenwasserstoffe.

Die Plasmatechnologie ermöglicht die Herstellung solcher Schichten, indem physikalisch aus einer Plasmawolke heraus homogene Schichtablagerungen vorgenommen werden. Hierzu gehört hauptsächlich die sogenannte Hochvakuum-Sputtering-Technik, durch welche extrem dichte und glatte, sehr dünne Schichten im Bereich zwischen 10 Nanometer bis etwa 2000 Nano­ meter aufgebracht werden können, bestehend aus verschiedenen Arten von Materialien, wie beispielsweise Metallverbindungen, Oxyde, Nitride oder Carbide.

Da wie erwähnt die Temperaturen bei diesen Vorgängen niedrig liegen, können auch Kunststoffe auf diese Weise metallisiert werden.

Die Grundform einer plasmatechnologischen Schichtauf­ bringung läuft so ab, daß von einem hochionisierten Dampf ausgegangen wird (Plasma). Man kann dies realisieren durch Anlegen einer Vorspannung oder durch Zuführen eines Strahls beschleunigter Partikel, wobei im ersten Fall eine durch die Vorspannung verursachte Zerlegung von Kohlenwasserstoffen in die Plasmaform oder im zweiten Fall eine Ionenstrahl­ zerlegung erfolgt. Durch ein solches Vorgehen lassen sich dünne Filme mit den gewünschten Eigenschaften ablagern. Da solche plasmatechnologischen Vorgänge für sich gesehen bekannt sind, wird im folgenden hierauf nicht genauer eingegangen; es wird beispiels­ weise verwiesen auf die genannte Veröffentlichung. Die bekannten Zerlegungsverfahren zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen können unterteilt werden in die Zerlegung von Kohlenwasserstoffgasen und solche, bei denen fester Kohlenstoff als Kohlenstoff­ quelle selbst verwendet wird. Im ersten Fall kann beispielsweise Methan, Äthan o. dgl. durch Glimment­ ladung zerlegt und Kohlenstoffionen gebildet werden. Diese Ionen werden dann in Richtung auf ein elektrisch vorgespanntes Substrat beschleunigt.

Bei der Verwendung von festem Kohlenwasserstoff kann eine Laser- oder Lichtbogenverdampfung von Kohlenwasserstoffen in Frage kommen. Es ist auch möglich, kombiniert zu arbeiten, also sowohl festen Kohlenstoff als auch ein Kohlenstoffwasserstoffgas oder Wasserstoff als Quelle für Strahlpartikel zu verwenden.

Zu den plasmatechnologischen Hauptherstellungsverfah­ ren zählt daher die physikalische Dampfablagerung, die Ionenimplantation, gegebenenfalls thermische Spray­ vorgänge, also überall dort, wo sich auf plasmatechno­ logischer Grundlage eine Oberflächenmodifikation von Materialien im Sinne der Bildung von speziellen Hart­ coating-Schichten ergibt. Diese Schichten sind dann zur Realisierung vorliegender Erfindung so zu bestim­ men bzw. auszuwählen, daß adhäsive Verschleißmöglich­ keiten ausgeschlossen sind. Dies erreicht man bei­ spielsweise speziell durch Aufbringen von diamant­ ähnlichen und graphitähnlichen Kohlenwasserstoff­ schichten (DLC; GLC) - dort ergänzt durch Metallzu­ sätze, wo dies aufgrund der erforderlichen Leitfähig­ keiten sinnvoll ist. Es ergeben sich dann Metall- Carbon-Wasserstoffe und Graphit-Carbon-Wasserstoffe, die hauptsächlich als Beschichtungen für Schleiferflä­ chen bei Potentiometern u. dgl. Systemen in Frage kommen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. Potentiometer, insbesondere durchdrehbares Präzi­ sionspotentiometer oder linearer Weggeber, mit Widerstands- und gegebenenfalls Kollektorbahn und auf diesen gleitendem (mehrfingerigem) Schleifer, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer der einander zugewandten und aufeinander gleitenden Flächen von Widerstands- bzw. Kollektorbahn einer­ seits und/oder des Schleifers bzw. der Schleifer­ finger andererseits eine durch einen plasmatech­ nologischen Vorgang gewonnene (dünne) Hartbeschich­ tung (Hartcoating) aufgebracht ist.

2. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß lediglich die auf Widerstandsbahn und/ oder Kollektorbahn (12, 14) gleitende Schleifer­ fingerunterseite mit der Hartcoating-Schicht verse­ hen ist.

3. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hartcoating-Schicht aus einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht (DLC = Diamond- like-Carbon Coating) besteht.

4. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hartcoating-Schicht aus einer graphitähnlichen Kohlenstoffschicht (GLC = Graphit- like-Carbon Coating) besteht.

5. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hartcoating-Schicht eine Silizium-Carbid-Schicht ist.

6. Potentiometer nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Leitfähigkeit die in den Ansprüchen 3, 4 und 5 angegebenen Hart­ coating-Schichten Metallzusätze aufweisen und ins­ gesamt eine Schichtdicke zwischen 10-2000 nm haben.

7. Potentiometer nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallzusätze Wolfram (W), Tan­ tal (Ta) und Niob (NB) sind.

8. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hartcoating-Schicht eine isolie­ rende, elektrisch unsichtbare Polyamid-Schicht ist mit Leitfähigkeit über Tunnelelektroden und einer Schichtdicke im Bereich von 10 nm.

9. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß als die Beschichtung tragendes Material (Schleifergrundmaterial) Edelmetalle (Palladium, Gold, Platin, Iridium) oder deren Legierung vorgesehen sind.

10. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß als die Beschichtung tragendes Trägermaterial (Schleifergrundmaterial) kostengünstigere Metalle, wie Kupfer-Beryllium oder Edelstahl, vorgesehen sind.