CN107076626B - 电容式力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式力传感器(1)，具有基面体(2)、平面的且可弹性变形的膜片体(3)、布置于基面体和膜片体(3)之间的彼此隔开的两个隔片(4)，其中膜片体(3)通过隔片(4a、4b)支撑在基面体(2)上并且膜片体(3)至少超出于一个隔片(4a)并形成一自由端(5)，并且在隔片(4a、4b)之间的区域中于膜片体(3)和基面体(2)之间构成了空腔(8)，使得在隔片(4a、4b)之间的区域对膜片体(3)施加力F时膜片体(3)能够弯曲，并且其中在自由端(5)上设置第一电极，在基面体上设置第二电极(7)，其中第一电极和第二电极构成了一个测量电容随力F的作用而变化的测量电容器(9)，以及还设置了让第一电极和第二电极产生电接触的装置(6)。

Description

电容式力传感器

本发明涉及一种电容式力传感器，其结构包括一个基面体以及一个平面的、可弹性变形的膜片体。在已知的力传感器中，膜片体通过一个或者多个隔片紧贴在基面体上，所以膜片体和基面体之间就形成一个空腔，该空腔分别受膜片体的一侧和基面体的一侧的限制。在向膜片体施力时，空腔的容积发生变化。限定空腔的基面体和膜片体表面通常都有一个金属层或者涂层，以此构成具有测量电容的测量电容器的彼此相对的电极。空腔填入电介质，例如空气。

由于膜片体具有一定的弹性，在力的作用下会弯曲。因此电极彼此的距离会发生变化，受空腔或电极限定的电容器的电容也将产生相应的改变。相应的电容式力传感器通常都是电子装置的一部分，因此已知的做法是，用一块电路板构成基面体和附属的电极，如从US5,134,886A所知的那样。这种力传感器的缺点是，设计为在力的作用下弯曲的空腔同时也影响着测量电容。因此机械和电测量特性会相互影响。这在电容式力传感器的机械或者电设计方面是个缺点。

因此，人们需要可以将机械耐用性和热耐用性分开设计的、同时具有这两种特性的电容式力传感器。这一任务通过权利要求1所述的操作元件得到解决。各有利的设计方案分别为从属权利要求的内容。需要指出的是，专利权利要求中单独列出的特征可以按任意技术上合理的方式彼此组合，阐述本发明的其它设计方案。说明书，尤其是结合附图的说明书，对发明的特点进行了额外的阐述和具体化。

本发明涉及一种电容式力传感器。根据本发明所述的电容式力传感器具有基面体以及平面的、可弹性变形的膜片体。此外，基面体和膜片体之间还设计有两个彼此间隔布置的隔片，其中膜片体通过隔片支撑在基面体上。膜片体至少超出于一个隔片，并且超出部分构成了一个自由端。在膜片体和基面体之间，隔片之间的区域中形成有空腔，使得当力作用于隔片之间区域的膜片体上时，膜片体可以弯曲，并且在自由端上设计有第一电极，基面体上设计了第二电极，在此，第一和第二电极限定了一个随力的作用而变化的测量电容。例如，测量电容会因局部弯曲产生的自由端相对于第二电极的位置变化而发生改变。此外，根据本发明，还设计了让第一和第二电极产生电接触的装置。本发明意义上的“平面”指的是，有两个维度的尺寸明显比其余维度的大，例如至少大10个因数。例如，膜片体在最后所述的维度中尺寸小于2mm，例如1.5或者1.0mm，更优选的则是小于1mm，例如0.5mm。膜片体可被设计为方形平面结构。

由于采用本发明的设计，力的作用和测量电容在空间上有分隔，所以有利于独立地对机械特性和电特性进行设置。例如，机械特性是由膜片体的设计决定的，例如材料选择、尺寸、强度、隔片之间的净尺寸选择、膜片体和基面体之间的间隔；而电特性则可以通过自由端突出部分的尺寸、相对于基面体的方向和距离进行调整。

此外，根据本发明的力传感器设计还允许在膜片体的介于隔片之间的区域布置一个缺口。该缺口不影响测量电容。

在优选实施例中，基面体是一块电路板，第二电极通过金属涂层或者电路板的金属层形成。本发明意义上的电路板具有不导电的单层或者多层电路板基质，上面或者里面布有导电层，最好是金属层。而第二电极则布置于，例如膜片体自由端的下方，最好上布置于面向自由端的电路板一面上。根据另一实施例，导电层则嵌入电路板基质中。而在另一实施例中，导电层还要覆盖不导电的保护漆。例如，金属层可以是设计于朝向膜片体的电路板基质表面上的铜涂层。此外，该铜层还可以镀金。这一导电层或者涂层界定了第二电极，即力传感器中测量电容随力而变化的电容器的至少两个电极中的一个。

隔片之间的净尺寸最好要小于自由端超出最近隔片的尺寸。因此，弯曲和由此产生的自由端抬起将引起特别大的电容变化。

在电容式力传感器的另一个有利实施例中，随着将膜片体压向基面体的力的作用增强，测量电容将降低，最好是让自由端之间的距离与力的作用成比例地变大。这样可在力传感器测量范围的开端就达到高的分辨率。最后，在无负荷状态下可达到特别高的操作安全性和抗电磁干扰性。优选地，在没有力的作用时，自由端支撑在基面体上。优选地，在没有力的作用时，自由端与第二电极相对的区域与第二电极维持最大0.25mm的净距离，最好是最大0.1mm。例如，之前提及的支撑方式可以这样设计：在支撑时也不会与第一和第二电极发生电接触。这种设计方式的优点是，根据本发明的力传感器的工作点被移到一区域内，在该区域，测量电容变化和行程所构成的比例在附属力的作用下变大，以此改善力传感器的分辨率。

为了简化本发明力传感器的制造和电接触结构，膜片体为构成力传感器第二电极的弹性金属件。优选采用弹簧钢带作为膜片体。

在一个优选实施例中，膜片体和隔片是一体的。隔片最好压入膜片体中。

例如，隔片作为彼此平行的凹槽压入膜片体板件中。

为了改善接触状况和/或者让膜片体的固定更可靠，电接触装置最好至少包括一个设置在膜片体上的侧面托架。例如，在膜片体相对的两侧设计两个托架。膜片体上至少一个托架的接头点，即膜片体和相应托架之间的过渡区，例如位于两个隔片之间的区域中，最好与一个隔片靠得更近。如果有两个隔片，则其接头点最好是彼此错开布置。

本发明意义上的“侧面”指的是，托架从膜片体外围延伸开来。托架最好大部分位于膜片体平面结构所在的平面内。托架的作用是，例如，将膜片体与电路板焊接在一起。在与电路板焊接时，托架可避免过多的热量输入膜片体。

在另一个实施例中，基面体或者电路板有一个缺口或者孔，最好是穿孔，并且至少一个的托架，其自由端嵌入孔中，例如弯成钩状的一段嵌入孔中。这样可让膜片体有一个可靠的支持。尤其是可在焊接之前实现可靠的预定位，这样就可以采用回流焊工艺、在波浪或者波动槽内进行焊接。

至少一个的托架最好有一小段在膜片体的切线方向中，将膜片体占用的结构体积最小化。如果有两个托架，则这两个托架最好还要往彼此相反的方向延伸。

在一个优选实施例中，至少膜片体是冲压件，优选地，膜片体和至少一个的隔片是冲压件，更优选地，膜片体、至少一个的隔片和至少一个的托架都是冲压件。

此外，本发明还涉及一种操作元件，该元件具有一个采用上述实施例之一的电容式力传感器、可移动致动件以及估算单元，可移动致动件限定了一致动面且作用于膜片体上，估算单元用以通过电容式力传感器测量操作件上存在的操作力。例如，该致动件还可具有一个触敏面，以进行位置解析性质的触碰探测，而操作力则由电容式力传感器测量。尤其是在之前所述的带有缺口的膜片体的情形中，可以有效地利用该缺口给致动件的致动面提供背光，同时又不会因此影响测量电容的结构设计。

现在，用以下附图对发明进行进一步解释。这些附图仅是示范性的并且仅表示优选的实施例，其中：

图1为根据本发明的力传感器实施例的俯视图；

图2为根据本发明的图1中的力传感器1在“无负荷”状态下的剖面图；

图3为根据本发明的图1中的力传感器1在力的作用下的剖面图；

图4为根据本发明带有图1所示力传感器的操作元件的剖面图；

图5为根据本发明的另一实施例的力传感器1在“无负荷”状态下的剖面图；

图6为阐述工作点对根据本发明的力传感器1的测量特性影响的图示。

图1示出了根据本发明的力传感器1的结构，从中尤其可以明显看出膜片体3的形状。膜片体3整体上是一片方形的弹簧钢带。膜片体3中压入了两条与钢带窄面平行的凹槽4a、4b作为隔片4a、4b。如图2所示，膜片体3仅通过隔片4a、4b贴紧基面体2。基面体2是一块带有基质和铜涂层7的电路板。膜片体3朝向电路板的一面和电路板2朝向膜片体3的一面界定空腔8，其净尺寸在与电路板2平行的方向上还受到隔片距离的制约。导电的金属膜片体3有一个超出隔片4a的方形段5，其构成了一自由端，并且如图2所示，在无负荷状态下与基面体2平行。尤其是自由端5界定了测量电容器9的第一电极，此外，该电容器还受到基面侧的第二电极7的限制并且其电容反映了膜片体3的形状和压力负荷。第二电极7由膜片体3的自由端5下方的电路板2上的铜涂层构成。铜涂层7对膜片体3是绝缘的。

由于膜片体3及其内部形成的凹槽4a、4b是弹簧钢板冲压成的，因此膜片体3具有弹性，对垂直的力负荷F会作出弹性弯曲反应。因此，一方面，空腔体积8将缩小。另一方面，这种弯曲会让自由端5围绕隔片4a界定的倾斜边升起和倾斜，如图3所示。布置在力线之外的测量电容器9的测量电容将降低，并且通过图1至3中未显示出来的估算单元测定。膜片体3上构造了两个托架6用于对膜片体3或者构成第一电极的自由端5进行位置固定和产生电接触。托架6和膜片体3是一体的板件，采用弹簧钢板冲制而成，整个板件的表面还额外进行了镀金处理。托架6彼此错位地布置于隔片4a、4b之间膜片体3的长边侧上，然后往膜片体的切线方向，在彼此相反方向延伸，且与膜片体外围平行隔开。托架在其自由端的最末尾是弯曲的并且整体上与膜片体3所确定的平面垂直。弯曲的末端分别插入并焊接于电路板2的电镀通孔11中。焊接后测量电容器9的第一电极5可与未显示的估算单元产生电接触。

膜片体3的垂直压力负荷在图4所示操作元件中由可移动安装的致动件10产生，该致动件在图4仅局部显示并且带有用于进行位置解析触碰探测的装置，例如触控板。致动件10在其背离力传感器1的一面构造了一个操作面。在力的作用下，该操作面通过槌状突起作用到图1至3所述力传感器1的膜片体3上。

图5概要地示出这样一种力传感器：在力传感器1处于无负荷的情况下，和图1所示实施例相比，膜片体3的自由端5至电路板2，特别是至第二电极7的净距离h更小。在力的作用小的时候，自由端的净距离为，例如h＝0.10mm或者更小，例如自由端5静止。采用这种设计方式可达到的效果是，根据本发明的力传感器的工作点被移到一区域内，在该区域，测量电容变化ΔC和行程Δh所构成的比例在附属力的作用下变大，以此改善力传感器1的分辨率。这一点可利用图6用两个实施例阐明。这两种实施例的区别在于，力传感器1处于无负荷状态时，自由端5和第二电极7之间的净距离。如图6所示，无负荷状态中，高会聚度的优点是，在行程相同的情况下可引起大的电容变化ΔC。例如，若力的作用产生的自由端行程Δx引起了从净距离d₂开始的电容变化ΔC₂，则如图所示，在距离d₁的数值小于距离d₂的情况下，数值相同的、因力的作用而引发的行程变化Δx会带来更大的电容变化ΔC₃。由此引起的力传感器1工作点位移最终将带来更高的分辨率和/或者更高的抗干扰性。

Claims (15)

1.电容式力传感器(1)，具有基面体(2)、平面的且可弹性变形的膜片体(3)、布置于基面体和膜片体(3)之间的彼此隔开的两个隔片(4)，其中膜片体(3)通过隔片(4a、4b)支撑在基面体(2)上并且膜片体(3)至少超出于一个隔片(4a)并形成一自由端(5)，并且在隔片(4a、4b)之间的区域中于膜片体(3)和基面体(2)之间构成了空腔(8)，使得在隔片(4a、4b)之间的区域对膜片体(3)施加力F时膜片体(3)能够弯曲，并且其中在自由端(5)上设置第一电极，在基面体上设置第二电极(7)，其中第一电极和第二电极构成了测量电容随力F的作用而变化的测量电容器(9)，以及还设置了使第一电极和第二电极产生电接触的装置(6)。

2.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，基面体(2)是一电路板，第二电极(7)由导电涂层或者电路板的导电涂层形成。

3.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，隔片之间的净尺寸(d)小于自由端(5)的长度。

4.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，测量电容随着将膜片体(3)压到基面体(2)上的力的作用F的增加而降低。

5.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，自由端(5)在没有力的作用时支撑在基面体(2)上。

6.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，在没有作用力时，自由端(5)在与第二电极相邻的区域维持最大为0.25mm的净距离(h)。

7.根据权利要求6所述的电容式力传感器(1)，其中，在没有作用力时，自由端(5)与第二电极(7)维持最大为0.1mm的距离。

8.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，膜片体(3)为形成力传感器的第一电极的弹性金属件。

9.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，膜片体(3)和隔片(4a、4b)是一体的。

10.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，隔片(4a、4b)是压到膜片体(3)中的。

11.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，膜片体(3)在隔片(4a、4b)之间包括一缺口。

12.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，用于电接触的装置包括形成于膜片体上的至少一个侧面托架。

13.根据权利要求12所述的电容式力传感器(1)，其中，至少一个托架在膜片体(3)的切线方向上延伸。

14.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，至少膜片体(3)是冲压件。

15.操作元件，包括：根据前述权利要求之一所述的电容式力传感器(1)、致动件以及估算单元(11)，致动件定义了操作面且作用于膜片体(3)，估算单元(11)用以通过电容式力传感器(1)测量施加在致动件上的操作力F。