DE4335715A1 - Potentiometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Potentiometer mit einem auf einem elektrisch isolierten Träger liegenden Schichtwider­ stand mit einer elektrischen Kontaktierung an mindestens einem seiner Enden und mit einem relativ zum Träger be­ weglichen Schleifer, der zum elektrischen Abgriff von Teil­ widerständen des Schichtwiderstands dient.

Schiebepotentiometer und Drehpotentiometer werden in der elektrischen Schaltungstechnik zum variablen Abgriff von Teilwiderständen bzw. Teilspannungen in weitem Umfang ein­ gesetzt.

Schichtwiderstände können mittels verschiedener Dünn- und Dickfilmtechniken aufgebracht werden. In der Dünnfilmtech­ nik, beispielsweise durch eine physikalische oder chemi­ sche Abscheidung, können Schichtwiderstände aus bei­ spielsweise Chrom-Nickel, Tantal, Titan oder Zinkoxid mit einer Höhe von 0,01 bis 1 mm leicht realisiert wer­ den.

Bei der Dickfilmtechnik werden zweckmäßigerweise Schicht­ dicken von 10 bis 100 µm, vorzugsweise 20 bis 50 µm, bei­ spielsweise über Siebdruckverfahren hergestellt. Die in der Dickfilmtechnik zur Herstellung der Schichtwiderstände verwendeten Pasten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Einbrenn- bzw. Härtetemperatur. Pasten mit hoher Einbrenn­ temperatur sind beispielsweise solche, die Cermets oder Glasuren enthalten. Diese bilden nach dem Einbrennprozeß, der zwischen 400°C und 1200°C stattfindet, Schichtwider­ stände aus, welche durch einen Schleifer mechanisch be­ ansprucht werden können. Die hohe Einbrenntemperatur er­ laubt das Aufbringen solcher Schichtwiderstände nur auf entsprechend temperaturbeständigen Substraten, beispiels­ weise auf Aluminiumoxidträgern.

Bekannt sind auch Widerstandspasten auf Kunstharzbasis mit niedriger Härtetemperatur, insbesondere im Bereich von 100°C bis 150°C, die zum Einstellen eines definierten spezifischen elektrischen Widerstands in ihrer Kunstharz­ matrix elektrisch leitfähige Partikel, wie Graphit- oder Nickelpartikel, vorzugsweise homogen dispergiert enthal­ ten. Der Vorteil dieser bei niedriger Temperatur aushärten­ den Pasten besteht darin, daß diese auch auf Leiterplatten aufgebracht werden können, die keine besonders hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen, beispielsweise auf Pertinax- oder glasfaserverstärkten Epoxidharzplatinen. Gleichwohl sind diese aber auch auf Substrate mit höherer Temperaturbeständigkeit auftragbar. Der Nachteil dieser Kunstharzpasten besteht darin, daß diese im ausgehärteten Zustand im Vergleich zu den vorgenannten mit hoher Ein­ brenntemperatur aufgebrachten Schichtwiderstände eine schlechtere mechanische Belastbarkeit, insbesondere Ab­ riebfestigkeit, besitzen. Sie bieten keinen ausreichenden Widerstand gegen einen Verschleiß durch einen sie kon­ taktierenden und auf ihnen bewegten Schleifer und weisen deshalb nur eine begrenzte Lebensdauer auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Potentio­ meter der eingangs genannten Art so auszugestalten und weiterzubilden, daß es trotz Verwendung von Schichtwider­ ständen auf Kunstharzbasis hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung durch den Schleifer eine höhere Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Ansprüche sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfinder sind nicht den naheliegenden Weg gegangen, durch Optimierung des Schleifers dessen Reibung auf dem Schichtwiderstand herabzusetzen oder nach einer besonders verschleißfesten Kunstharzbasis für den Schichtwiderstand zu suchen, vielmehr haben sie eine Lösung gefunden, in welcher der Schleifer den Schichtwiderstand überhaupt nicht mehr beansprucht.

Erfindungsgemäß erfolgt der Abgriff über metallische Leiterbahnen, die in ihrer Vielzahl von dem Schicht­ widerstand elektrisch überbrückt sind und diesen in eine Folge von Teilwiderständen unterteilen.

Diese Leiterbahnen sind im Vergleich zum Schichtwider­ stand verschleißfest, wodurch eine hohe Lebensdauer des Potentiometers erzielt wird von einigen 10 000 bis über 100 000 Betätigungen. Vorteilhafterweise wer­ den die Leiterbahnen direkt, wie auch die sonstigen Leiterbahnen der elektronischen Schaltung, durch einen üblichen Ätzprozeß auf der metallkaschierten Leiter­ platte bzw. Platine ausgebildet, was die Möglichkeit eröffnet, diese bei der Erstellung der Schaltungs­ zeichnung mit zu berücksichtigen. Die Leiterbahnen weisen zweckmäßigerweise eine Dicke zwischen 10 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 20 und 50 µm auf. Anschließend kann der Schichtwiderstand auf die dem Potentiometer zu­ gehörigen Leiterbahnen beispielsweise mittels Siebdruck aufgetragen werden. In vorteilhafter Weise können mit Hilfe dieser Technik mehrere Schichtwiderstände gleich­ zeitig auf einer Leiterplatine aufgebracht werden, was den Arbeitsaufwand entsprechend reduziert. Bei Verwen­ dung beispielsweise kunstharzgebundener Widerstands­ pasten wird es durch die Erfindung möglich Potentio­ meter direkt auf temperaturempfindlichen Leiterplatten herzustellen.

Durch den indirekten Abgriff der Teilwiderstände über die Leiterbahnen ergeben sich zusätzliche Freiheits­ grade in der Ausgestaltung des Schichtwiderstands einerseits und dem Widerstandabgriffs an den Leiter­ bahnen andererseits. Schichtwiderstand und Abgriff müssen nicht unmittelbar benachbart sein, sondern können dem Platzangebot auf der Leiterplatte ent­ sprechend angeordnet werden. Auch ist es möglich, in Abkehr zur Lehre des Standes der Technik, den Schicht­ widerstand und den Abgriff an den Leiterbahnen geo­ metrisch unterschiedlich auszugestalten. Weiterhin können räumlich zwischen dem Schichtwiderstand und dem Ort des Abgriffs der Teilwiderstände zusätzliche elektronische Bauelemente vorgesehen sein, die ggfs. mit den Leiterbahnen elektrisch verbunden sind, um beispiels­ weise in Abhängigkeit vom Betrag des Teilwiderstands das elektrische Signal zusätzlich zu verändern. Es ist auch möglich den Schichtwiderstand oder den Abgriff oder Teile davon auf den beiden gegenüberliegenden Seiten der Leiter­ platine oder auf unterschiedlichen schaltungstechnisch miteinander verbundenen Leiterplatinen vorzusehen.

Der Abgriff der Teilwiderstände des Schichtwiderstands an den Leiterbahnen mittels eines Schleifers erfolgt derge­ stalt, daß der Schleifer von der Vielzahl der zu einem Schichtwiderstand führenden Leiterbahnen mindestens eine, höchstens jedoch zwei Leiterbahnen gleichzeitig abgreift. Dadurch ist sichergestellt, daß der Schleifer einerseits immer im elektrischen Kontakt mit dem Schichtwiderstand steht, andererseits aber einen nicht zu breiten Bereich des Schichtwiderstandes über die Leiterbahnen abgreift. Die Auflösung der durch den Abgriff der Teilwiderstände über die Leiterbahnen erzielten Quantisierung hängt von der Leiterbahndichte, d. h. von der Anzahl der Leiter­ bahnen, die vom Schichtwiderstand überbrückt werden, ab. Die Leiterbahndichte selbst ist wiederum abhängig von der Methode der Herstellung der Leiterbahnen. Findet diese Herstellung wie oben genannt über einen Ätzprozeß einer beispielsweise mit Kupfer kaschierten Platine statt, so liegt sowohl die Breite der Leiterbahnen als auch der Abstand zwischen ihnen zweckmäßigerweise nach dem der­ zeitigen Stand der Technik über 100 µm. Dies ergibt so­ mit im Mittel fünf Abgriffe pro Millimeter Schichtwider­ stand. Eine Erhöhung der Auflösung in der Quantisierung kann, wie weiter unten beschrieben, durch den Abgriff der Teilwiderstände an zwei Schichtwiderständen erreicht werden.

Der Schleifer wird vorzugsweise über eine weitere Leiter­ bahn abgegriffen, auf welcher ein elektrisches Kontakt­ stück des Schleifers im gesamten Bewegungsbereich des Schleifers schleift. Für den Fall, daß das Potentiometer ein Schiebepotentiometer ist, ist die weitere Leiterbahn vorzugsweise gerade ausgeführt, so daß der Schleifer direkt über dieser weiteren Leiterbahn geführt werden kann. Handelt es sich bei dem Potentiometer beispielsweise um ein Drehpotentiometer, so kann die weitere Leiterbahn in Kreisform ausgeführt sein oder im Drehpunkt des Schlei­ fers enden, so daß auch hier während der Drehbewegung des Schleifers ein steter Kontakt zu der weiteren Leiter­ bahn gewährleistet ist.

Die durch den Abgriff mechanisch beanspruchten Oberflächen der vom Schichtwiderstand abzweigenden Leiter, des Schlei­ fers und der vom Schleifer kontaktierten weiteren Leiter­ bahn können zusätzlich, beispielsweise durch eine Vergol­ dung oder Hartversilberung, vergütet werden.

Für eine definierte Unterteilung des Gesamtwiderstandes eines Schichtwiderstandes in Teilwiderstände ist es zweck­ mäßig, wenn die Leiterbahnen im Überbrückungsbereich des Schichtwiderstands bzw. im Überfahrbereich des Schleifers senkrecht zu dessen Haupterstreckungsrichtung bzw. Be­ wegungsrichtung bei gleichmäßiger Beabstandung der Leiter­ bahn zueinander angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, daß der Abstand der Leiterbahnen im vom Schichtwider­ stand überbrückten Bereich nicht gleichmäßig ist, son­ dern daß beispielsweise die Abstände der Leiterbahnen von­ einander über die Länge des Schichtwiderstands zunehmen, um - bei gleichmäßiger Beabstandung der Leiterbahnen im Überfahrbereich des Schleifers - unterschiedliche Kenn­ linien zu erhalten. In besonders vorteilhafter Weise kann die Widerstands-Wegkennlinie des Potentiometers nach der vorliegenden Erfindung nahezu beliebig ausgestaltet wer­ den, indem die Höhe und/oder die Breite des Schichtwider­ standes über seine Haupterstreckungsrichtung variiert wer­ den. Würde bei nicht kontanter Breite des Schichtwider­ stands dieser direkt vom Schleifer abgegriffen werden, so müßte die Breite des Schleifers der maximalen Breite des Schichtwiderstands entsprechen, was eine Verschleißbean­ spruchung des an den Rändern der schmaleren Bereiche des Schichtwiderstands durch den breiten Schleifer zur Folge hätte. Dieser Nachteil besteht aufgrund des indirekten Abgriffs der Teilwiderstände bei der vorliegenden Er­ findung nicht.

Von besonderem Vorteil bei der Erfindung ist die Möglich­ keit, die Auflösung in der Quantisierung der Teilwider­ stände zu erhöhen, indem zwei Schichtwiderstände, mit einem elektrischen Kontakt an jeweils einem ihrer Enden, einem gemeinsamen Schleifer zugeordnet werden wobei die Schichtwiderstände über den gemeinsamen Schleifer elek­ trisch derart verbunden sind, daß in jeder Schleif­ position - Gleichartigkeit der beiden Schichtwiderstände samt Leiterbahn vorausgesetzt - die Summe der vom Schlei­ fer über die Leiterbahnen von den jeweiligen Schichtwider­ ständen abgegriffenen Teilwiderständen kontant ist und die Leiterbahnen des einen Schichtwiderstands im Über­ fahrbereich des Schleifers gegenüber den Leiterbahnen des anderen Schichtwiderstands in Bewegungsrichtung des Schleifers um einen bestimmten Betrag versetzt sind. Dieser Betrag hängt von der Breite der Leiterbahnen so­ wie von dem Abstand zwischen den benachbarten Leiterbahnen ab und sollte der Summe aus halber Leiterbahnbreite und halbem Leiterbahnabstand entsprechen. Ist die Schleifer­ kontaktbreite selbst größer als der Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen und kleiner als die Summe aus zweifacher Leiterbahnbreite und einfachem Ab­ stand, wie dies auch idealerweise bei Zuordnung nur eines Schichtwiderstands zum Schleifer der Fall sein sollte, so ist der elektrische Kontakt zwischen beiden Schichtwider­ ständen über den Schleifer stets gewährleistet, ohne daß ein zu breiter Teilwiderstandsbereich der Schichtwider­ stände abgegriffen wird. Die versetzte Anordnung der zu unterschiedlichen Schichtwiderständen gehörigen Leiter­ bahnen läßt sich beispielsweise im Falle eines Drehpoten­ tiometers dadurch verwirklichen, indem diese samt ihren Leiterbahnen auf gegenüberliegenden Seiten der Leiter­ platte ausgeführt werden und der Schleifer bspw. durch eine metallisierte Bohrung hindurchragt, eine Drehachse ausbildet und gleichzeitig den beidseitigen Abgriff an den versetzten Leiterbahnen vornimmt. Analog kann eben­ falls ein Schieberpotentiometer ausgeführt sein.

Die Erfindung eignet sich nicht nur für Potentiometer mit einem Schichtwiderstand auf Kunstharzbasis, sie kann vielmehr auch angewendet werden bei anderen Schicht­ widerständen, deren Verschleißfestigkeit bezogen auf den konkreten Anwendungsfall unzureichend ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Schiebepotentiometer der er­ findungsgemäßen Art, welches direkt auf einer Leiterplatte (10) ausgebildet ist, wobei ein einzelner Schichtwiderstand (1) über Leiterbahnen (2-9) einem Schleifer (14) zugeordnet ist und der Schichtwider­ stand (1) über seine Länge eine konstante Breite aufweist, so daß eine lineare Widerstand-Weg-Kennlinie erhalten wird.

Fig. 2 zeigt zwei gleichartige Schichtwiderstände (1A, 1B) die über ihre jeweiligen Leiter­ bahnen einem gemeinsamen Schleifer (14) zugeordnet sind und die über ihre Länge eine variable Breite aufweisen, so daß eine spezielle, nicht lineare Widerstand- Weg-Kennlinie erhalten wird.

Gleichartige Teile in Fig. 1 und Fig. 2 sind mit gleichen Ziffern versehen. Beide Figuren zeigen ebenfalls zur Er­ leichterung der Zuordnung das elektrische Ersatzschalt­ bild des Potentiometers.

Fig. 1 zeigt einen Schichtwiderstand 1, der Leiterbahnen 2 bis 9, der Leiterplatte 10 elektrisch überbrückt und an seinen beiden Enden zu den ebenfalls auf der Leiterplatte 10 befindlichen Abgriffen 11 und 12 Kontakt hat. Die Leiterbahnen 2 bis 9 weisen jeweils dieselbe Breite auf und sind gleichmäßig parallel voneinander beabstandet. Parallel zum Schichtwiderstand 1 befindet sich eine weitere Leiterbahn 13. Ein Schleifer 14 wird durch eine in der Leiterplatte 10 vorhandene Nut 15 parallel zu der weiteren Leiterbahn 13 geführt, steht mit dieser im permanenten Schleifkontakt und greift gleichzeitig die Teilwiderstände des Schichtwiderstands 1 über die einzelnen Leiterbahnen 2 bis 9 ab. Damit der Schleifer 14, während er bewegt wird, immer im Kontakt zu einer der Leiterbahnen 2 bis 9 steht, ist seine Breite der Breite der Leiterbahnen 2 bis 9 sowie dem Abstand zwischen zwei benachbarten Leiter­ bahnen 2 bis 9 derart angepaßt, daß die Breite des Schlei­ fers 14 größer ist als der Abstand zwischen zwei benach­ barten Leiterbahnen 2 bis 9 aber gleichzeitig kleiner als die Summe aus der doppelten Breite einer Leiterbahn 2 bis 9 und dem Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen 2 bis 9. Aufgrund der elektrischen Kontakte über die An­ schlüsse 11, 12 und die weitere Leiterbahn 13 handelt es sich hierbei um einen Dreileiteranschluß, wobei die Auf­ lösung in der Quantisierung des Schichtwiderstands 1 in Teilwiderstände von dem Abstand zwischen den Leiterbahnen 2 bis 9 sowie von deren Breite abhängt.

Im Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Schiebepotentio­ meter sind dem in Fig. 2 dargestellten Schleifer 14 des Schiebepotentiometers zwei Schichtwiderstände 1A und 1B über die Leiterbahnen 2A bis 9A bzw. 2B bis 9B zugeordnet. Die Schichtwiderstände 1A, 1B weisen an jeweils nur einem ihrer Enden einen elektrischen Anschluß 11 bzw. 12 auf. Bei dieser Dreileiteranordnung können die jeweiligen Teil­ widerstände wiederum über die weitere Leiterbahn 13 abge­ griffen werden. Der Schleifer 14 wird über eine in der Leiterplatte 10 befindliche Nut 15 geführt, die in Längs­ richtung innerhalb der weiteren Leiterbahn 13 ausgebildet ist. Eine Erhöhung in der Auflösung der Quantisierung der Teilwiderstände wird dadurch erreicht, indem die dem Schichtwiderstand 1B zugehörigen Leiterbahnen 2B bis 9B gegenüber den dem Schichtwiderstand 1A zugehörigen Leiter­ bahnen 2A bis 9A in Bewegungsrichtung des Schleifers 14 derart versetzt angeordnet sind, daß die Leiterbahnen 2A bis 9A bzw. 2B bis 9B bezüglich ihrer Mittelachsen in Haupt­ erstreckungsrichtung mit den gedachten Mittelachsen der Abstandslücken zwischen den jeweils gegenüberliegenden Leiterbahnen übereinstimmen. Die Schichtwiderstände 1A, 1B zeichnen sich durch eine über ihre Länge variierende Breite aus, wodurch eine spezielle, nicht lineare Wider­ stand-Weg-Kennlinie erreicht wird.

Claims (12)

1. Potentiometer mit einem auf einem elektrisch iso­ lierenden Träger (10) liegenden Schichtwiderstand (1) mit einer elektrischen Kontaktierung (11, 12) an mindestens einem seiner Enden und mit einem relativ zum Träger (1) beweglichen Schleifer (14), der zum elektri­ schen Abgriff von Teilwiderständen des Schichtwider­ stands dient, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger eine Vielzahl voneinander beabstandeter und von dem Schichtwiderstand (1) überbrückender, metallischer Leiterbahnen (2-9) vorgesehen sind, welche den Schicht­ widerstand (1) in eine Folge von Teilwiderständen unter­ teilen, und daß der Schleifer (14) zum Abgreifen der Teilwiderstände nur mit den Leiterbahnen (2-9) Kontakt hat.

2. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei Schichtwiderstände (1A, 1B), mit einem elektrischen Kontakt (11, 12) an jeweils einem ihrer Enden, einem gemeinsamen Schleifer (14) über ihre jeweiligen Leiterbahnen (2A-9A; 2B-9B) derart zugeordnet sind, daß er die elektrische Verbindung zwischen den beiden Schichtwiderständen (1A, 1B) herstellt und die Teilwiderstände der jeweiligen Schichtwiderstände (1A, 1B) über ihn abgreifbar sind.

3. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem Träger (10) des Schlei­ fers (14) eine weitere Leiterbahn (13) vorgesehen ist, auf welche ein elektrisches Kontaktstück des Schleifers (14) im gesamten Bewegungsbereich des Schleifers (14) schleift.

4. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2-9) im Überfahrbereich des Schleifers (14) senkrecht zu dessen Bewegungsrichtung ausgerichtet sind.

5. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2-9) im Überfahrbereich des Schleifers (14) gleichmäßig voneinander beabstandet sind.

6. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2-9), im Überbrückungsbereich des Schichtwiderstands (1) senk­ recht zu dessen Haupterstreckungsrichtung ausgerichtet sind.

7. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2-9) im Überbrückungsbereich des Schichtwiderstandes (1) gleichmäßig voneinander beabstandet sind.

8. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abtastbreite des Schleifers (14) größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen (2-9) und kleiner ist als die Summe aus dem Abstand zwischen zwei benachbarten Leiter­ bahnen (2-9) und der doppelten Breite einer Leiterbahn (2-9) zusammen.

9. Potentiometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Zuordnung von zwei Schichtwiderständen (1A, 1B) zu einem Schleifer (14) die einem jeweiligen Schichtwiderstand (1A, 1B) zugehörigen Leiterbahnen (2A-9A; 2B-9B) in Bewegungsrichtung des Schleifers (14) um insgesamt den halben Abstand zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen (2A-9A, 2B-9B) und einer halben Leiterbahn­ breite gegeneinander versetzt sind.

10. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwider­ stand mit variabler Dicke und/oder variabler Breite ausgebildet ist.

11. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwider­ stand als Bindemittel ein Kunstharz enthält.

12. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwider­ stand durch die Leiterbahnen gekreuzt wird.