-
Diese
Erfindung betrifft potentiometrische Positionsgeber.
-
Potentiometrischer
Positionsgeber finden breite Anwendung in der Industrie für das Messen
eines Winkels oder einer linearen Position. Durch Befestigen eines
Teils eines Potentiometers an der einen Komponente und eines anderen
Teils an der anderen Komponente erreicht man, daß eine Relativbewegung zwischen
den Komponenten zu einer Änderung
des elektrischen Potentials führt,
das von einem Schleifkontakt erfaßt wird, der sich entlang der
Spur eines Widerstandsmaterials bewegt. Diese Änderung kann durch einen geeigneten
Schaltkreis erfaßt
und dazu benutzt werden, eine Anzeige des Winkels oder der linearen
Position bereitzustellen.
-
Potentiometer
wurden jahrzehntelang als selbststehende Komponenten hergestellt,
die im allgemeinen aus einem Gehäuse
bestehen, in dem sich ein isolierendes Substrat befindet, auf dem
eine Widerstandsspur vorliegt. Ein Schleifkontakt wird elastisch
gegen die Spur gedrückt
und die Position des Schleifkontakts kann durch Drehen einer Spindel oder
eine Linearbewegung eines Gleitelements verändert werden. Üblicherweise
muß die
Spindel oder das Gleitelement an einer Komponente angebracht sein,
deren Position erfaßt
werden soll, und ebenso muß das
Gehäuse
an einem geeigneten feststehenden Montageteil befestigt sein. Dies
kann mühsam sein,
unterliegt Irrtümern
und benötigt
eine Menge Teile.
-
Aus
der
US 3617977 ist ein
Potentiometer bekannt, das zusammenschnappende Teile eines Gehäuses aufweist.
Ein erster Teil ist mit einer Ringnut und ein zweiter Teil mit einem
ringförmigen
Vorsprung zum Einschnappen in die Ringnut versehen. Die mechanische
Verbindung der beiden Teile ist fixiert und ermöglicht keine Rotation der beiden.
-
In
den letzten Jahren hat insbesondere in der Automobilindustrie, wo
es eine zunehmende Verwendung von potentiometrischen Positionsgebern
bei verschiedenen Anwendungen innerhalb der Motorfahrzeuge und ihrer
Motoren gibt, ein Versuch zum Senken der Komponentenkosten dazu
geführt,
daß Unterbaukomponenten
eingesetzt werden, die aus einem Potentiometerelement, das auf einem
isolierenden Substrat eine Widerstandsspur aufgedruckt aufweist,
und einem Schleifkontakt bestehen, wobei diese Anordnung normalerweise
auf einer isolierenden Basis vormontiert ist. Der Unterbau wird
dann in den speziellen Teil des in Betracht kommenden Kraftfahrzeugs,
z. B. in einen Vergaser, eingebaut, und zwar durch den Hersteller
jenes Teils.
-
In
der Praxis ist dieses Vorgehen unbefriedigend, da die Hersteller
von Kraftfahrzeugteilen nicht gut dafür ausgerüstet sind, eine irrtumsfreie
Installation der Potentiometerteile in das endgültige Objekt sicherzustellen.
Insbesondere werden die für
die Potentiometerherstellung geeigneten Reinraumbedingungen nicht
beachtet. Auch ergeben sich beim Handhaben von empfindlichen Komponenten
Probleme, die eine spezielle Ausrüstung und spezielle Verfahrensweisen
erfordern. Die Ausfallrate ist unannehmbar hoch und es ist schwierig
festzustellen, ob ein Fehler vorliegt, weil der gelieferte Unterbau
einen Defekt aufweist oder weil Schwierigkeiten bei seinem Einbau
in das endgültige
Produkt, welches hergestellt wird, aufgetreten sind.
-
Wir
haben nun gefunden, daß es
durch Anwenden eines neuen Wegs der Ausbildung des potentiometrischen
Gebers möglich
ist, Hersteller mit Unterbaukomponenten zu beliefern, die einfach
und leicht gehandhabt sowie in jedes Produkt, in dem sie erwünscht sind,
eingebaut werden können,
um eine Änderung
in der Winkelposition von zwei relativ zueinander beweglichen Teilen
zu bestimmen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird für einen
potentiometrischen Positionsgeber ein Unterbau bereitgestellt, der
aus einem elektrisch isolierendes Substrat, auf dem mindestens eine
gekrümmte Widerstandspur
ausgebildet ist, und einem Drehelement, das mindestens einen Schleifkontakt
aufweist, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und das Drehelement
darauf ausgebildete, gegenseitig in Eingriff bringbare Klemmteile
aufweisen und derart gestaltet sind, daß dann, wenn sie zusammengeklemmt
sind, der Schleifkontakt die Spur berührt und das Drehelement um
eine Achse gedreht werden kann, die im wesentlichen mit der Mitte
zusammenfällt,
um die herum sich die gekrümmte
Widerstandspur erstreckt.
-
Vorzugsweise
besteht ein Klemmteil aus einem kreisförmigen elastischen Kragen,
der für
einen Eingriff mit einem kreisförmigen
Gebilde eingerichtet ist, das an oder in einer zylindrischen Oberfläche vorliegt.
Insbesondere ist es bevorzugt, daß der Kragen aus einer Reihe
von einzelnen elastischen länglichen Fingern
besteht, von denen jeder an oder nahe an seinen freien Ende einen
Wulst oder eine Nut aufweist, und an der zylindrischen Oberfläche in entsprechender
Weise eine Nut oder ein Wulst ausgebildet ist, wo der Wulst oder
die Nut an den Fingern elastisch eingreifen kann. Eine derartige
Anordnung ermöglicht
es, daß der
Unterbau durch Zusammenklemmen der zwei Elemente unter axialer Kraft
einfach hergestellt werden kann. Die Gebilde für den gegenseitigen Eingriff
können
derart gestaltet sein, daß die
Elemente leicht zusammengeklemmt, jedoch nicht leicht auseinander
gezogen werden können.
-
Eine
derartige Anordnung ergibt einen Schutz sowohl für den Schleifkontakt als auch
für die Schleifspur,
und sie können
als eine Einheit ohne Verpackungs- und Handhabungsprobleme transportiert
werden, weil die beiden Elemente fest zusammengeklemmt sind.
-
Vorzugsweise
ist das Substratelement mit einer Vorrichtung für die elektrische Verbindung
mit der Spur, z. B. mit Kontaktenden in Form von Stiften, Laschen
oder Hülsen,
versehen, die in Form eines Steckers oder einer Buchse für eine elektrische
Verbindung mit einer komplementären
Buchse oder einem komplementären
Stecker, z. B. an einem Kabelbaum oder einem Kabelstrang, ausgebildet
sind.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist das Substratelement einen im allgemeinen zylindrischen Körper auf,
der an einer Endfläche
mit der Spur oder den Spuren und an seiner anderen Endfläche mit
einem Stecker oder einer Buchse mit Verbindungsteilen versehen ist,
die elektrisch mit der Spur oder den Spuren verbunden sind.
-
Das
Drehelement weist vorzugsweise an seiner Fläche, die jener gegenüber liegt,
welche den Schleifkontakt oder die Schleifkontakte trägt, eine Vorrichtung
auf, die für
einen Eingriff mit einer der Komponenten ausgebildet ist, deren
Winkelposition gemessen werden soll, z. B. mit einer geeigneten Buchse.
-
Wenn
ein Unterbau gemäß der vorliegenden Erfindung
an einen Gegenstand angesetzt wird, bei dem die relative Winkelposition
von zwei Teilen hiervon erfaßt
werden soll, braucht der Unterbau nicht auseinandergenommen zu werden
sondern kann einfach an seiner Stelle eingebaut werden, und zwar durch
Anordnen des Drehelements im Eingriff mit einer Komponente des Teils,
normalerweise mit einer Spindel oder einer Welle, und des Substratelements bezüglich einer
anderen Komponente hiervon, normalerweise eines Gehäuses. So
wird die relative Position der zwei Elemente des Unterbaus durch
die relative Lage der Teile des fraglichen Gegenstands bestimmt.
Um einen reibungslosen Vorgang sicherzustellen, ist es bevorzugt,
daß die
zwei Elemente des Unterbaus relativ lose zusammengesetzt sind. Das heißt, das
Drehelement kann sich leicht in einer Ebene senkrecht zu seiner
Drehachse bewegen, so daß es
sich jeder geringen Dimensionsveränderung der Gegenstände angepaßt, an welche
der Unterbau angeschlossen werden soll. Bei einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
können
das Drehelement und das Substratelement eine Stift-Buchse-Verbindung
aufweisen, die sich an der Drehachse des Drehelements befindet,
wobei die Außenoberfläche des Stifts
mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen
versehen ist, die sich differentiell abnutzen, sobald sich die Teile
des Unterbaus drehen, wenn der Unterbau installiert ist, um jedes
leichtes Spiel oder jede leichte Exzentrizität zwischen den relativ beweglichen
Teilen des Gegenstands auszugleichen. Alternativ oder zusätzlich kann
der Teil des Drehelements, der für
einen Eingriff mit einem Teil des Gegenstands, z. B. einer Buchse,
ausgebildet ist, gewünschtenfalls
z. B. an einem elastischen Satz Speichen oder einem sogenannten
Tragstern angebracht sein, deren distale Enden an dem Drehelement
befestigt sind. Eine derartige Anordnung ermöglicht auch ein gewisses axiales
Spiel zwischen der Spindel oder dergleichen an dem Gegenstand und
dem Drehelement, wenn der Unterbau installiert ist.
-
Die
gekrümmte
Spur oder die gekrümmten Spuren
sowie der andere Widerstandsabschnitt oder die anderen Widerstandsabschnitte
auf dem isolierenden Substrat sind vorzugsweise aus einer Kunststoffzusammensetzung
hergestellt, die derart formuliert ist, daß sie die geeigneten elektrischen
Widerstandseigenschaften aufweist. Solche Zusammensetzungen werden
oft als "leitfähige Kunststoffdruckfarbe" bezeichnet, weil
sie leicht mittels Drucktechniken, insbesondere durch Siebdruck,
auf Substrate aufgebracht werden können. Ein Hauptvorteil solcher Stoffe
in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie auch
als geeignete Lageroberflächen
dienen können.
Somit kann insbesondere das Drehelement mit einer zentralen Lageroberfläche versehen
sein, die gegen eine zentrale Fläche aus
einem solchen Kunststoffilm gedrückt
wird, wenn der Geber zusammengesetzt und in Gebrauch ist. Dieses
Merkmal, welches aus der US-A-5302937 bekannt ist, kann bei einer
Vielzahl von Potentiometerkonstruktionen und -ausführungsformen
angewandt werden, d. h. zur Bereitstellung einer Potentiometerkonstruktion,
die ein elektrisch isolierendes Substrat aufweist, auf dem mindestens
eine Spur aus einem Widerstandsmaterial aufgedruckt ist und bei
dem das Substrat zusätzlich
eine oder mehrere Flächen
eines Materials aufweist, das in dem zusammengesetzten Potentiometer
als eine oder mehrere Lageroberflächen fungiert.
-
Ein
solcher Weg ist besonders wertvoll bei einer Massenproduktion, da
er es ermöglicht,
zur gleichen Zeit, zu der die Widerstandsspuren aufgebracht werden,
z. B. durch Siebdruck, Lagereigenschaften zu erzeugen. Das heißt, es ist
kein gesonderter Herstellungsschritt nötig, um eine Lageroberfläche bereitzustellen.
-
Bei
den Potentiometerkonstruktionen mit dem anklemmbaren Drehelement
ist dieser Weg besonders nützlich,
weil eine zentrale Erhöhung
an dem Drehelement derart angeordnet werden kann, daß sie auf
einer zentralen Fläche
eines Lagermaterials gelagert werden kann, das zur gleichen Zeit
wie die Spuren aufgedruckt worden ist, um genau den Abstand zwischen
der Seite des Drehelements, welches den Schleifkontakt oder die
Schleifkontakte trägt,
und der Spur oder den Spuren festzulegen und dementsprechend die
Kraft genau zu definieren, mit der das elastische Schleifkontaktelement
oder die elastischen Schleifkontaktelemente gegen die gekrümmte Spur(en)
drückt
bzw. drücken.
-
Potentiometrische
Positionsgeber, die gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert sind, können
in einer groben Vielzahl von Anwendungen benutzt werden. Sie können leicht
derart angepaßt werden,
daß sie
an geeignete Spindeln passen, die an schon vorhandenen Maschinen
vorliegen. Dabei wird das isolierende Substrat dann bezüglich des
Lagers der Spindel fixiert, vorzugsweise nachdem sich die Spindel
einige Male gedreht hat, um sicherzustellen, daß sie und das Drehelement bezüglich des
Substratselements frei drehbar sind.
-
Obwohl
in vielen Fällen
der erfindungsgemäße Geber
für eine
Verwendung ausgebildet ist, bei der eine Winkeländerung über einen wesentlichen Winkelbereich
erfaßt
werden soll, ist selbstverständlich,
daß der
Geber dazu eingerichtet sein kann, über einen sehr kleinen Bereich
der Winkelbewegung zu fungieren, wenn dies angebracht ist. In einem
solchen Fall können
das Drehelement und das Substratelement mit einer Klemmvorrichtung
ausgebildet sein, die nur teilweise gekrümmt ist, d. h. die sich nicht über einen
vollen Kreis erstreckt.
-
Die
Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erklärt
und erläutert.
Darin zeigen:
-
1 eine
Explosionsdarstellung sowie aus zwei verschiedenen Richtungen eine
Geberanordnung eines Drehpotentiometers, die für einen Einbau in ein Drosselklappengehäuse geeignet
ist, das beispielsweise Teil eines Kraftfahrzeugs ist,
-
2 einen
Axialschnitt durch die zusammengesetzte Geberanordnung gemäß 1,
-
3 einen
Axialschnitt von alternativen Dreh- und Isoliersubstratelementen,
mit der Darstellung einer typischen aufgedruckten Spuranordnung, und
-
4 einen
Schnitt durch ein weiteres alternatives Dreh- und Isoliersubstratelement, wiederum unter
Darstellung der Spuranordnung und mit einem Detail eines selbstzentrierenden
Stifts.
-
Unter
Bezugnahme zuerst auf 1 wird dort eine Explosionsansicht
eines Aufbaus eines Drehpotentiometergebers gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Ein isolierendes Substratselement 1, das aus
einem geeigneten Kunststoffmaterial geformt worden ist, weist an
einer Seite eine Kreisfläche 2 auf,
an der eine Anzahl von vorher aufgedruckten Widerstandsspuren 3 ausgebildet
sind. Um den Rand der Fläche 2 läuft ein
Wulst 5 mit einer Oberfläche, die zur Mitte der Fläche 2 hin
geneigt ist. Auf der anderen Seite der isolierenden Basis befindet
sich eine einstückig
angeformte Hülse 6,
die als Buchse für
ein Verbindungselement dient. Leiterzungen 7, die sich
innerhalb der Hülse 6 befinden,
sind mit den Spuren 3 elektrisch verbunden.
-
Ein
Drehelement 10 besteht aus einer im allgemeinen flachen
Scheibe mit einer einstückig
angeformten hohlen Stütze 11 an
ihrer einen Seite und einem Satz einstückig angeformter Zungen 12 an
der anderen Seite. Diese sind durch relativ enge Schlitze voneinander
getrennt und bilden zusammen einen Kragen, der über den Wulst 5 geklemmt
werden kann. Auf der gleichen Seite des Kragens sind zwei Sätze elektrisch
leitende und gefederte Schleifkontakte 14 angebracht.
-
Die
Stütze 11 ist
derart dimensioniert, daß sie über eine
Spindel 20 paßt,
die innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 21 angeordnet
ist. Das letztere ist an der Seite eines Teils eines Mechanismus
angesetzt, der nur schematisch dargestellt ist und mit der Bezugsnummer 22 bezeichnet
ist. Bei einer Anwendung der Erfindung kann die Hülse 21 an
der Außenseite
eines Drosselklappengehäuses
eines Fahrzeugs befestigt sein, wobei dann die Spindel 20 beispielsweise
die Welle bildet, welche eine Scheibe trägt, die in eine Position bewegt
werden kann, in welcher sie im wesentlichen quer zu einem kreisförmigen Luftstromdurchgang
liegt und im wesentlichen die Strömung durch diesen Durchgang
blockiert, und in eine Position, in der sie im Sinne der Durchgangsrichtung
zurückgestellt
ist und so der Luft ein leichtes Hindurchströmen erlaubt.
-
Wenn
die drei in 1 explosionsartig dargestellten
Komponenten zusammengesetzt sind, ist der axiale Quer schnitt der
Anordnung so, wie es 2 zeigt. Es ist ersichtlich,
daß die
Zungen 12 über
den Wulst 5 geklemmt sind, um die Potentiometeranordnung
zusammenzuhalten. Die Spindel 20 ist geschlitzt und zwei
axiale Wulste innerhalb der Hülse 11 kommen
in Eingriff mit den Schlitzen am Ende der Spindel 20, so
daß dann,
wenn sich die Spindel dreht, auch das Drehelement 10 gedreht
wird. Wenn sich das Drehelement 10 dreht, ändern die
leitfähigen Schleifkontaktelemente 14 ihre
Position bezüglich der
Spuren 3 und dementsprechend ändert sich auch der zwischen
zwei der Zungen 7 meßbare
Widerstandswert. Durch Verbinden der Zunge 7 unter Verwendung
eines üblichen
Vierwegesteckelements mit einer entsprechenden Instrumentierung
und Steuerschaltung kann ein Signal erzeugt werden, das für die Drosselklappenstellung
repräsentativ
ist, und dies kann z. B. beim Betrieb eines Motorsteuersystems benutzt
werden.
-
Im
Fall der in den 1 und 2 dargestellten
Anordnungen hängt
das Zentrieren des Drehelements relativ zu der isolierenden Basis
völlig
von dem Kragen ab, der von den Zungen 12 gebildet wird,
die über
den Wulst 5 geklemmt sind. Ein genaueres Zentrieren kann
erreicht werden, wie in den 3 und 4 dargestellt
ist, durch Ausformen eines zentralen Ansatzes 30 als Teil
des Drehelements, der in eine zentrale Ausnehmung 31 paßt, die an
dem geformten isolierenden Substratelement ausgebildet ist. Wie
in 3 gezeigt ist, wird die Kunststoffdruckfarbe,
aus der die Spuren 3 hergestellt sind, zum Auskleiden der Öffnung 31 benutzt
und dient als Lagermaterial.
-
Es
hat sich als äußerst vorteilhaft
erwiesen, den Ansatz 30 mit einer ziemlich lockeren Passung
in der Öffnung 31 auszubilden,
ihn jedoch mit einer Anzahl von Außenrippen 34 zu versehen,
die den Durchmesser wirksam erhöhen,
so daß sich
eine enge Passung ergibt, zumindest für den Anfang. Wegen der schmalen
Fläche
der Stirnseiten der Rippen 34 nutzen sie sich leicht ab,
wenn die Anordnung nach dem Installieren "einläuft".
-
Wie
in den 1 und 3 dargestellt ist, wird die
Anordnung bezüglich
der Dimension genau zusammengesetzt. Es treten jedoch sehr oft Situationen
auf, bei denen es erwünscht
ist, einen potentiometrischen Positionsgeber auf eine Spindel zu
setzen, die in ihrer axialen Dicke variiert. Um dies zu kompensieren,
kann das Drehelement in zwei Teilen ausgebildet sein, wie in 3 dargestellt
ist, nämlich mit
einer Basis 40 und einer Buchse 42, die auf die Spindel
aufgesetzt werden soll. Dabei werden die Basis und die Buchse über einige
flexible, im wesentlichen radiale Füße verbunden, die in 3 mit 43 bezeichnet
sind. Durch Auswählen
eines entsprechend flexiblen und nachgiebigen Materials, aus dem
die Kappe geformt wird, bedeutet die Flexibilität der Speichen 43,
daß Variationen
in der Dicke einer Spindel ausgeglichen werden können. Alternativ wird dies dann,
wenn die Spindel einem axialen Spiel unterliegt, ebenso angepaßt, ohne
daß die
Geberfunktion der Winkelposition der Anordnung beeinträchtigt wird.