WO2003028046A1 - Potentiometer - Google Patents

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Reiner Schweinfurth
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/16—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance
    • G01D5/165—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance by relative movement of a point of contact or actuation and a resistive track
    • G01D5/1655—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying resistance by relative movement of a point of contact or actuation and a resistive track more than one point of contact or actuation on one or more tracks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C10/00—Adjustable resistors
    • H01C10/30—Adjustable resistors the contact sliding along resistive element

Definitions

  • the invention relates to a potentiometer of the type defined in the preamble of claim 1.
  • the grinder In a known potentiometer of this type (DE 196 24 780 A1), which is used as a position sensor for detecting the angular position of a throttle valve in the intake pipe of an internal combustion engine, the grinder has a carrier and two resilient grinding plates attached to it, each carrying a contact brush at the end which, in turn, make electrical contact with a resistance mat shark. Of the two concentrically arranged sliding tracks, one is connected at the end to two connecting terminals for applying a potentiometer voltage and the other
  • Grinding path is connected at one end to a measuring terminal to which a tapped from s' grinders potentiometer voltage is removable as a measure of the relative position of the grinder and the grinding path. Since the sliding track is fixed in a housing of a throttle valve connector and the grinder is connected in a rotationally fixed manner to the adjusting shaft for the throttle valve, the is on the Measuring terminal removed voltage a measure of the rotational position of the throttle valve.
  • the potentiometer according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the inventive construction of the contact element electrically contacting the sliding track from an electrically conductive core and a noble metal jacket, which usually reduces a high proportion of the noble metal used for electrical contacting, which is a
  • the ring surface of the noble metal jacket ensures that the noble metal that ensures good contact still lies on the grinding track.
  • the contact element is designed as a grinding wire which is fastened at its end facing away from the contact surface on a grinder arm of the grinder. This has the advantage that due to the Ede existing over the length of the grinding wire . lmetallmantei a reliable contact with low contact resistance can also be produced on the carrier side.
  • the grinding wire is angled so that the longer leg is attached to the carrier and the shorter leg has the contact surface.
  • This has the advantage that a contact force exerted on the contact surface by the wire itself is applied by the long leg of the angled contact wire, which ensures the electrical contact with the contact track.
  • the core of the grinding wire is made of spring wire, so that a resilient bias can be impressed on the grinding wire.
  • FIG. 1 shows a potentiometer in use as a position sensor or angle encoder for detecting the angle of rotation position of a rotating component
  • Fig. 2 excerpts a bottom view of the grinder of the
  • Fig. 4 shows a section of a grinding wire of the grinder of the
  • the potentiometer shown in the drawing serves as a position sensor for sensing the rotary setting of a rotating component.
  • a position sensor In motor vehicles, such a position sensor is used to detect the swivel angle of a throttle valve which is arranged in an intake duct of the internal combustion engine and which represents the rotating component.
  • a housing 10 accommodating the potentiometer is fastened to the so-called throttle valve connector of the intake duct, and the drive shaft for the throttle valve is coupled to the potentiometer.
  • the potentiometer has two slideways 11, 12, at least one of which is made of electrical resistance material, and a slider 13, which is rotatable relative to the slideways 11, 12.
  • the two grinding tracks 11, 12 are designed as arc sections which are applied concentrically to one another on a base plate 14, which in turn is firmly accommodated in the housing 10.
  • the grinder 13 sits on a rotary shaft 15 which is mounted in the housing 10 and, in the case of using the potentiometer as a position sensor for detecting the pivoting angle of a throttle valve, is connected in a rotationally fixed manner to the actuating shaft of the throttle valve or is formed by the actuating shaft of the throttle valve.
  • the front and rear ends of the sliding track 11 are each connected to a connecting terminal 16, 17 via conductor tracks 111, 112, while the front end of the sliding track 12 is only connected to a connecting terminal 18 via a conductive path 121.
  • the connecting terminals 16 - 18 are guided to plug pins, not shown here, in a plug housing 26.
  • the connector pins are assigned such that a potentiometer voltage is applied to the connecting terminals 16 and 17 and the voltage tapped at the potentiometer is taken from the connecting terminal 18, which voltage is a measure of the rotational position of the grinder 13 or of the component connected to it in a rotationally fixed manner, for example the Throttle valve, is.
  • the grinder 13 has a plurality of contact elements 19 which rest on the sliding tracks 11, 12 with a contact surface 20 (FIG. 4).
  • the plurality of contact elements 19 is divided into two groups 191 and 192, of which the group 191 of the contact elements 19 with their contact surfaces 20 on the sliding track 11 and the group 192 of the contact elements 19 with their
  • each contact element 19 has an electrically conductive core 21 made of an inexpensive filler of a conductive material, at least in the area of its contact surface 20, that is to say at its end resting on the sliding track 11 or 12 Graphite, carbon fiber and dgL, and a noble metal jacket 22 surrounding the core 21. Core 21 and noble metal jacket 22 are flush on the end face, so that the annular end face of the noble metal jacket 22 forms the contact surface 20 together with the end face of the core 21.
  • each contact element 19 is designed as a long grinding wire 23, which at its end remote from the contact surface 20 is supported on an electrically conductive carrier plate 24, e.g. a support plate is attached.
  • the attachment is preferably carried out by welding the grinding wire end onto the carrier plate 24.
  • the carrier plate 24 is either attached to the underside of a plastic grinding arm 25 or itself forms the grinding arm 25, which is then connected in a rotationally fixed manner to the rotary shaft 15 via a plastic bushing.
  • each grinding wire 23 is angled and has a long leg 231, which is fastened at the end to the carrier plate 24, and a short leg 232 protruding therefrom at right angles, which carries the contact surface 20 at its end.
  • the core 21 of the grinding wire 23 is preferably made of spring steel, which is enclosed by the noble metal jacket 22 over the entire length of the grinding wire.
  • the desired contact pressure of the contact surface 20 on the sliding tracks 11, 12 can be set by a suitable prestressing of the now resilient grinding wire.
  • Each of the multiplicity of grinding wires 23 which — as described — contact the sliding track 11 in group 191 and contact the sliding track 12 in group 192 have an outer diameter of approximately 0.1 mm.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiment described above.
  • a single slideway to which a potentiometer voltage is applied is sufficient.
  • the measuring voltage is then taken from the grinder 13, which is carried out with a corresponding electrical connection.
  • the relative movement between Grinder 13 and grinding tracks 11, 12 are not a rotary movement, but can be designed as a linear displacement.
  • the base plate carrying the grinding tracks 11, 12 can also be rotated or displaced linearly, the grinder 13 then being spatially fixed.

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Abstract

Es wird ein insbesondere als Positionssensor oder Lagegeber verwendetes Potentiometer angegeben, das mindestens eine Schleifbahn und einen Schleifer aufweist, der mindestens ein mit einer Kontaktfläche (20) auf der Schleifbahn aufliegendes, die Schleifbahn elektrisch kontaktierendes Kontaktelement (19) aufweist, wobei Schleifer und Schleifbahn zueinander bewegbar sind. Zur Kostenreduzierung durch Verringerung des im Potentiometer für die Kontaktierung verwendeten Edelmetalls, weist das Kontaktelement (19) einen elektrisch leitenden Kern (21) und einen den Kern (21) umschliessenden Edelmetallmantel (22) auf, dessen ringförmig Stirnfläche zumindest teilweise die Kontaktfläche (20) bildet (Fig. 4).

Description

Potentiometer
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Potentiometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Bei einem bekannten Potentiometer dieser Art (DE 196 24 780 A1), das als Positionssensor zum Erfassen der Winkelstellung einer Drosselklappe im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine verwendet wird, weist der Schleifer einen Träger und zwei daran befestigte, federnde Schleifplättchen auf, die endseitig jeweils eine Kontaktbürste tragen, die ihrerseits den elektrischen Kontakt zu einer Schleifbahn aus Widerstandsmatehai herstellen. Von den beiden konzentrisch angeordneten Schleifbahnen ist die eine endseitig mit zwei Anschlußklemmen zum Anlegen einer Potentiometerspannung verbunden und die andere
Schleifbahn ist mit ihrem einen Ende an einer Meßklemme angeschlossen, an der eine von en' Schleifern abgegriffene Potentiometerspannung als Maß für die Relativlage von Schleifer und Schleifbahn abnehmbar ist. Da die Schleifbahn in einem Gehäuse eines Drosselklappenstutzens festgelegt ist und der Schleifer drehfest mit der Verstellwelle für die Drosselklappe verbunden ist, ist die an der Meßklemme abgenommene Spannung ein Maß für die Drehstellung der Drosselklappe.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Potentiometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch den erfindungsgemäßen Aufbau des die Schleifbahn elektrisch koπtaktierenden Kontaktelements aus einem elektrisch leitfähigen Kern und einem Edelmetallmantel, der üblicherweise hohe Anteil des zur elektrischen Kontaktierung verwendeten Edelmetalls reduziert wird, was eine
Kosteneinsparung mit sich bringt. Durch die Ringfläche des Edelmetallmantels ist dabei sichergestellt, daß nach wie vor das die gute Kontaktierung gewährleistende Edelmetall auf der Schleifbahn aufliegt.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Potentiometers möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kontaktelement als ein Schleifdraht ausgebildet, der an seinem von der Kontaktfläche abgekehrten Ende auf einem Schleiferarm des Schleifers befestigt ist. Dies hat den Vorteil, daß durch den über die Länge des Schleifdrahts vorhandenen Ede.lmetallmantei auch trägerseitig eine zuverlässige Kontaktierung mit kleinem Übergangswiderstand hergestellt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Schleifdraht so abgewinkelt, daß der längere Schenkel am Träger befestigt ist und der kürzere Schenkel die Kontaktfläche aufweist. Dies hat den Vorteil, daß durch den langen Schenkel des abgewinkelten Schleifdrahts eine auf die Kontaktfläche wirkende Andruckkraft vom Draht selbst aufgebracht wird, die die elektrische Kontaktierung mit der Schleifbahn sicherstellt Dies insbesondere dann, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Kern des Schleifdrahts aus Federdraht hergestellt wird, so daß dem Schleifdraht eine federnde Vorspannung aufgeprägt werden kann.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieis in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen.
Fig. 1 eine Potentiometer in Anwendung als Positionssensor oder Drehwinkelgeber zum Erfassen der Drehwinkelstellung eines drehenden Bauteils,
Fig. 2 ausschnittweise eine Unteransicht des Schleifers des
Potentiometers in Fig. 1 ,
Fig. 3 ausschnittweise einen Schnitt längs der Linie III - III in Fig. 1 ,
Fig. 4 einen Schnitt eines Schleifdrahts des Schleifers des
Potentiometers längs der Linie IV - IV in Fig. 3.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Zeichnung dargestellte Potentiometer dient als Positionssensor zum Sensieren der Drehsteliung eines drehenden Bauteils. Bei Kraftfahrzeugen wird eine solcher Positionssensor zum Erfassen des Schwenkwinkels einer in einem Ansaugkanal der Breπnkraftmaschine angeordneten Drosselklappe, die das drehende Bauteil darstellt, verwendet. Ein das Potentiometer aufnehmendes Gehäuse 10 ist dabei am sog. Drosselklappenstutzen des Ansaugkanals befestigt, und die Antriebswelle für die Drosselklappe ist mit dem Potentiometer gekoppelt. Das Potentiometer weist zwei Schleifbahnen 11 , 12, von denen mindestens eine aus elektrischem Widerstandsmaterial besteht, und einen Schleifer 13 auf, der relativ zu den Schleifbahnen 11, 12 drehbar ist. Die beiden Schleifbahnen 11 , 12 sind als Bogenabschnitte ausgeführt, die konzentrisch zueinander auf einer Grundplatte 14 aufgebracht sind, die ihrerseits fest im Gehäuse 10 aufgenommen ist. Der Schleifer 13 sitzt auf einer Drehwelie 15, die im Gehäuse 10 gelagert und im Falle der Verwendung des Potentiometers als Positionssensor zum Erfassen des Schwenkwinkels einer Drosselklappe mit der Stellwelle der Drosselklappe drehfest verbunden ist oder von der Stellwelle der Drosselklappe gebildet wird. Die Schleifbahn 11 ist mit ihrem vorderen und hinteren Ende über Leiterbahnen 111 , 112 jeweils mit einer Anschlußklemme 16, 17 verbunden, während die Schleifbahn 12 lediglich mit ihrem vorderen Ende über eine Leiterbahn 121 mit einer Anschlußklemme 18 verbunden ist. Die Anschlußklemmen 16 - 18 sind zu hier nicht gezeigten Steckerstiften in einem Steckergehäuse 26 geführt. Die Steckerstifte werden so belegt, daß an die Anschlußklemmen 16 und 17 eine Potentiometerspannung gelegt sind und an der Anschlußklemme 18 die am Potentiometer abgegriffene Spannung abgenommen wird, die ein Maß für die Drehstellung des Schleifers 13 bzw. des mit diesem drehfest verbundenen Bauteils, z.B. der Drosselklappe, ist.
Der Schleifer 13 weist eine Mehrzahl von Kontaktelementen 19 auf, die mit einer Kontaktfläche 20 (Fig. 4) auf den Schleifbahnen 11 , 12 aufliegen. Die Vielzahl der Kontaktelemente 19 ist in zwei Gruppen 191 und 192 aufgeteilt, von denen die Gruppe 191 der Kontakteiemente 19 mit ihren Kontaktflächen 20 auf der Schleifbahn 11 und die Gruppe 192 der Kontaktelemente 19 mit ihren
Kontaktflächen 20 auf der Schleifbahn 12 mit einem gewissen Anpreßdruck aufliegen. Alle Kontaktelemente 19 sind auf ihren von den Kontaktfiächen 20 abgekehrten Ende elektrisch miteinander verbunden. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, weist jedes Kontaktelement 19 zumindest im Bereich seiner Kontaktfläche 20, also an seinem auf der Schleifbahn 11 bzw. 12 aufliegenden Ende, einen elektrisch leitenden Kern 21 aus einem preiswerten Füllstoff eines leitfähigen Materials, wie Graphit, Kohlefaser und dgL, und einen den Kern 21 umschließenden Edelmetallmantel 22 auf. Kern 21 und Edelmetallmantel 22 sind stirnseitig bündig ausgeführt, so daß die ringförmige Stirnfläche des Edelmetallmantels 22 zusammen mit der Stirnfläche des Kerns 21 die Kontaktfläche 20 bildet.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist jedes Kontaktelement 19 als ein langer Schleifdraht 23 ausgebildet, der an seinem von der Kontaktfläche 20 abgekehrten Ende auf einer elektrisch leitfähigen Trägerplatte 24, z.B. einem Trägerblech, befestigt ist. Die Befestigung erfolgt vorzugsweise durch Aufschweißen des Schleifdrahtendes auf die Trägerplatte 24. Die Trägerplatte 24 ist entweder an der Unterseite eines Schleiferarms 25 aus Kunststoff befestigt oder bildet selbst den Schleiferarm 25, der dann über eine Kunststoffbuchse mit der Drehwelle 15 drehfest verbunden ist. Wie Fig. 3 zeigt, ist jeder Schleifdraht 23 abgewinkelt und weist einen langen Schenkel 231, der endseitig auf der Trägerplatte 24 befestigt ist, und einen davon rechtwinkelig abstehenden kurzen Schenkel 232 auf, der an seinem Stimeπde die Kontaktfläche 20 trägt. Um einen Anpreßdruck für die Kontaktfläche 20 auf der Schleifbahn 11 bzw. 12 zu erzielen, ist vorzugsweise der Kern 21 des Schleifdrahts 23 aus Federstahl hergestellt, der über die gesamte Schleifdrahtlänge von dem Edelmetallmantel 22 umschlossen ist. Durch eine geeignete Vorspannung des nunmehr federnden Schleifdrahts kann der gewünschte Aufpreßdruck der Kontaktfläche 20 auf die Schleifbahnen 11 , 12 eingestellt werden. Jeder der Vielzahl von Schleifdrähten 23, die - wie beschrieben - in der Gruppe 191 die Schleifbahn 11 kontaktieren und in der Gruppe 192 die Schleifbahn 12 kontaktieren weisen einen Außendurchmesser von ca. 0,1 mm auf.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So genügt für die Funktion des Potentiometers nur eine einzige Schleifbahn, an die eine Potentiometerspannung angelegt ist. Die Meßspannung wird dann am Schleifer 13 abgenommen, der mit einem entsprechenden elektrischen Anschluß ausgeführt wird. Auch muß die Relativbewegung zwischen Schleifer 13 und Schleifbahnen 11 , 12 keine Drehbewegung sein, sondern kann als Linearverschiebung ausgeführt werden. Anstelle des Schleifers 13 kann auch die die Schleifbahnen 11 , 12 tragende Grundplatte verdreht oder linear verschoben werden, wobei der Schleifer 13 dann räumlich feststeht.

Claims

Ansprüche
1. Potentiometer mit mindestens einer Schleifbahn (11 , 12) und einem Schleifer (13), der mindestens ein mit einer Kontaktfläche (20) auf der Schleifbahn (11 , 12) aufliegendes, die Schleifbahn (11 , 12) elektrisch kontaktierendes Kontaktelement (19) aufweist und so angeordnet ist, daß Schleifbahn (11 , 12) und Schleifer (13) relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (19) zumindest im
Bereich seiner Kontaktfläche (20) einen elektrisch leitenden Kern (21 ) und einen den Kern (21) umschließenden Edelmetallmantel (22) aufweist, dessen ringförmige Stirnfläche zumindest teilweise die Kontaktfläche (20) bildet.
2. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (21) aus einem preiswerten Füllstoff aus leitfähigem Material, besteht.
3. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (19) als ein Schleifdraht (23) ausgebildet ist, der mit seinem von der Kontaktfläche (20) abgekehrten Schleifdrahtende an einem Schieiferarm (25) befestigt ist.
4. Potentiometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleifdraht (24) abgewinkelt ist und einen langen Schenkel (231), der am
Schleiferarm (25) befestigt ist, und einen vom langen Schenkel (231) abstrebenden kurzen Schenkel (232) aufweist, der die Kontaktfläche (20) trägt.
5. Potentiometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schleifdraht (23) durchziehende Kern (21) aus Federstahl hergestellt ist.
6. Potentiometer nach einem der Ansprüche 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl paralleler Schleifdrähte (23) am Schleiferarm (25) befestigt sind und daß eine Gruppe (191 , 192) von Schleifdrähten (23) der mindestens einen Schleifbahn (11 , 12) zugeordnet ist.
7. Potentiometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Schleifbahnen (11 , 12) und mindesten zwei Gruppen (191 , 192) von Schleifdrähten (23) vorgesehen sind, von denen jeweils eine Gruppe (191 bzw. 192) eine Schleifbahn (11 bzw. 12) kontaktiert.
8. Potentiometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Schleiferarm (25) eine elektrische Verbindung zwischen den Schleifdrähten (23) und den Gruppen (191 , 192) von Schleifdrähten hergestellt ist.
9. Potentiometer nach einem der Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schleiferarm (25) mit einer elektrisch leitfähigen Trägerplatte (24) versehen und die Befestigung der Schleifdrähte (23) auf der Trägerpiatte (24) durch Schweißen vorgenommen ist.
10. Potentiometer nach einem der Ansprüche 3 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schieifdrähte (23) einen Außendurchmesser von etwa 0,1 mm aufweisen. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 - 10, gekennzeichnet durch seine Verwendung als ein die Relativlage zweier gegeneinander bewegbarer Bauteile erfassender Lagesensor.
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