CN108318159B - 具有改善固定的电容式力传感器 - Google Patents

Abstract

电容式力传感器，包括：平面基体；平面的、弹性的和/或弹性支承的薄膜体；两个彼此间隔布置的垫片；薄膜体通过垫片松动贴靠在在平面基体上，在薄膜体与平面基体之间、在垫片之间的区域中形成腔体，以在施加作用力F时在垫片之间的区域中发生薄膜体的移动和/或弯曲；薄膜体构成第一电极且在平面基体处设有第二电极，第一和第二电极限定具有随作用力F而变化的测量电容的第一精密电容器；为了电接触第一电极，设置有从每一垫片中延伸的至少一个电支架，其构成用于贴靠在平面基体处的底端，通过该底端，电支架与平面基体一体连接且电支架在所属的垫片与底端之间形成弧形部，从而使得相对于平面基体保持间隙，以使得薄膜体弹性附接至平面基体。

Description

具有改善固定的电容式力传感器

技术领域

本发明涉及一种电容式力传感器，其具有平面基体以及平面弹性薄膜体。在已知的力传感器中，所述薄膜体经由一个或多个垫片贴靠在平面基体上，使得在所述薄膜体与所述平面基体之间形成腔体，该腔体一侧由所述薄膜体并且另一侧由所述平面基体来限制。在施加力到薄膜体时，所述腔体的容积改变。总而言之，所述平面基体和所述薄膜体的限制所述腔体的表面具有金属层或涂层并且因此形成具有测量电容的精密电容器的彼此相对的电极。例如，该腔体填充有空气作为电解质。

背景技术

因为薄膜体具有一定弹性，该薄膜体对作用力的反应为弯曲。由此，其导致了电极彼此之间的间距改变并且因此改变通过腔体或电极限定的电容器的容量。相对应的电容式力传感器通常是电子器件的一部分，使得已知的是，平面基体以及所属的电极需由印刷电路板构成，例如从文献US 5,134,886 A已知的那样。

该力传感器的缺点在于，所述薄膜体在存在作用力的情况下发生的弯曲也对其与平面基体的电接触产生机械应力。结果表明，设置在薄膜体与平面基体之间的过渡区域中的整体连接，例如在传统力传感器中的焊接，承受大的应力并且因此存在该连接无法持久的风险。

发明内容

因此，对电容式力传感器存在如下的需求，即，在该电容式力传感器中，在机械和热稳定性都高的情况下，所述力传感器的电接触持久稳定。该目的通过根据本申请的力传感器以及操作元件来实现。可指出的是，在权利要求中单独实施的特征可以以任意技术上合理的方式来互相组合并且表明本发明的其它实施例。说明书、尤其与所述附图相结合地说明了本发明的特征并且详细说明本发明。

本发明涉及一种电容式力传感器。根据本发明的电容式力传感器包括平面基体以及平面的、弹性的和/或弹性支承的薄膜体。根据本发明，两个彼此间隔布置的垫片设置在所述平面基体与所述薄膜体之间，其中，所述薄膜体通过所述垫片松动地支撑在所述在平面基体上。松动地支撑意味着所述垫片贴靠所述平面基体，而在所述垫片与所述平面基体之间不设置有固定件。在所述薄膜体与所述平面基体之间、在所述垫片之间的区域中形成腔体，以在存在作用于所述薄膜体上的作用力F、例如沿所述平面基体的方向作用的操作力的情况下在所述垫片之间的区域中发生所述薄膜体的移动，如弯曲。“平面的”在本发明的意义中意味着一个物体，其二维尺寸明显大于另一维度的尺寸，例如至少是另一维度尺寸的十倍大。例如，所述薄膜体的尺寸在后一维度尺寸中小于2mm、例如1.5mm或1.0mm、更优选地小于1mm、例如0.5mm。所述薄膜体例如构造成矩形的平面体。

根据本发明，所述薄膜体构成第一电极，例如通过由导电材料制成的所述薄膜体的涂层或通过由导电材料制成的所述薄膜体来制造。根据本发明，在所述平面基体处设置有第二电极，例如通过由导电材料制成的涂层来制造。第一电极和第二电极限定了具有随所述作用力F而变化的测量电容的第一精密电容器。为了电接触所述第一电极，设置有从所述垫片延伸的至少一个电支架，该至少一个电支架构成用于贴靠在所述平面基体处的底端。根据本发明，所述电支架通过所述底端与所述平面基体材料一体连接、优选焊接在一起。所述电支架在所述垫片与所述底端之间形成的弧形部，从而使得相对于基体保持间隙，以使得所述薄膜体弹性附接至平面基体。例如，所述弧形部通过朝所述平面基体的承载面倾斜的电支架的两个区段来限定。

通过在所述薄膜体与所述平面基体之间的固定在所述电支架的区域中的移动并且通过所述电支架的弧形、弹性弯曲的构造，可进一步机械地将所述固定和对于电接触所必须的连接与需检测的力作用解耦，使得没有很大的机械作用力作用于所述底端和与所述平面基体的连接，而所述垫片的松动贴靠确保了所述薄膜体的可靠移动或变形并且因此确保了可靠的、即测量电容的可重复的改变。

因此，在所述力传感器彻底失效的情况下，排除了该固定的机械分离和电接触。

此外，在所述底端与所述平面基体焊接在一起的情况下，所述电支架阻止了过高的热量传入所述薄膜体中。

优选地，所述底端通过焊接、例如回流焊接工艺、在波浪池中与所述平面基体焊接在一起。所述底端例如具有大于2mm²的面积。优选地，对所述底端可焊接地镀上涂层、例如镀金。为了确保所述底端的持久的焊接和平面的贴靠，所述电支架具有联接在所述底端的自由端部，该端部延伸远离所述基体。例如所述端部被裁剪。

在根据本发明的力传感器的优选的实施例中，所述平面基体是电路板并且所述第二电极由金属涂层或所述电路板的金属层来构造。在本发明的意义中，所述电路板具有非导电的、一层或多层的电路板基底，该电路板基底具有涂覆于其上的或嵌入其中的导电的、优选金属层。所述第二电极例如布置在所述薄膜体下方并且优选地布置在所述电路板的面对所述薄膜体的表面上方。根据另一实施，导电层例嵌入所述电路板基底中。根据另一实施例，导电涂层设置成此外还覆有非导电的保护漆。金属层例如是铜镀层，其设置在所述电路板基底的面对所述薄膜体的表面上。铜镀层可额外地再镀金。该导电层或涂层限定了电容器的至少两个电极的第二电极，该电容器具有取决于通过所述力传感器提供的作用力的测量电容。

优选地，所述电容式力传感器这样来设计，使得随着将所述薄膜体压到所述平面基体上的作用力的增加，测量电容增大。

优选地设置成，在不存在作用力的情况下，在所述薄膜体与所述平面基体之间的间距不大于0.25mm、优选不大于0.1mm。

为了简化根据本发明的力传感器的制造方法并且为了简化电接触，所述薄膜体是构成所述力传感器的第一电极的弹性金属件。优选地，所述薄膜体是钣金件，更优选地，是弹簧钢板带。

根据一种优选的实施例，所述薄膜体和所述垫片构造成一体式。优选地，所述垫片以成形压印工艺嵌入所述薄膜体。

例如，所述垫片作为彼此平行延伸的加强筋嵌入构造成钣金件的薄膜体中。

根据一种优选的实施例，在薄膜体与所述垫片之间设置有材料减薄部，如缺口。由此，由于作用力而产生的弹性变形发生在垫片与薄膜体之间的过渡区域上，其中，引起所述薄膜体的尽可能平行的移动并且由此引起测量电容的显著改变，这改善了所述力传感器的探测精度。

根据一种优选的实施例，在每个垫片处设有一个电支架，该电支架分别沿着所述薄膜体的周缘、优选沿相同的环绕方向延伸。由此节约了安装空间，例如所述电支架分别沿着所述薄膜体的周缘区域延伸，在该周缘区域处不设置垫片。

根据一种实施例，至少一个所述薄膜体、优选地多个所述薄膜体、所述垫片和至少一个电支架制成冲压件。

根据另一种实施例，设置有至少部分覆盖所述薄膜体的第三电极，其布置在所述薄膜体的背离所述平面基体的侧面上并且与所述薄膜体电绝缘，其中，所述薄膜体的第一电极和第三电极限定了具有随所述作用力F而变化的测量电容的第二精密电容器。例如，所述第三电极同样由钣金件、优选为金属钣金件构造而成。在一个实施例中，额外改变的测量电容的同时检测用于检验检测。

此外，本发明涉及一种操作元件，其具有根据前述说明的实施例中任一项所述的电容式力传感器以及限定致动面并且作用于所述薄膜体的可移动致动构件以及评估单元，以借助所述电容式力传感器测量施加在所述致动构件处的致动力。例如，所述致动构件还具有触摸式表面，以执行空间分辨的触摸检测，同时通过所述电容式力传感器测量作用力。

优选地，所述薄膜体具有中心的凸起部并且在所述致动构件与所述凸起部之间设置有贴靠在所述凸起部处的挺杆。由此实现了在挺杆与薄膜体之间产生尽可能为点状的并且独立于所述挺杆的取向的触碰。此外，所述挺杆具有减少磨损的涂层。该凸起部为此用作产生用于作用力的限定点。所述电路板与机构的位置公差以及来自装配焊接过程的不准确性因此得到消除。此外，弥补了所述挺杆的对准公差。

此外本发明涉及一种根据上述说明的实施例中任一项所述的操作元件在机动车中的用途。

附图说明

接下来根据下列附图详细阐述本发明。在此，附图在此仅示例性地来理解并且仅示出优选的实施变型。其中：

图1为根据本发明的力传感器1的第一实施例的立体图；

图2为在图1中所示的根据本发明的力传感器1的第一实施例的侧视图；

图3为根据本发明的操作元件10的侧视图；

图4为根据本发明的力传感器1的第二实施例的截面图。

具体实施例

图1示出了根据本发明的力传感器1的第一实施例。该力传感器具有呈电路板形式的平面基体3。在该平面基体3上布置有由弹簧钢冲裁和压制成的钣金件，该钣金件形成基本上平面的薄膜体2、两个电支架5、5’和两个垫片4a、4b，平面薄膜体、支架和垫片构造成一体。如图2所示，薄膜体2布置成与平面基体3相距微小的间距并且在此形成腔体8。如在图1和图2中还显示的那样，薄膜体2通过设置在薄膜体2的两个相对而置的棱边处的垫片4a和4b支撑在平面基体3上。在薄膜体2与相应的垫片4a或4b之间的过渡部设有多个缺口6，由此产生呈接片9形式的材料减薄部，其增加了薄膜体2在该区域中的弹性。

在中心处，薄膜体2具有圆顶状的凸起部，该凸起部限定了通过力传感器1来测量的沿平面基体3方向的作用力的作用点。在存在作用力的情况下，接片9提供了薄膜体2的、与通过材料产生的弹性回复力相反的几乎平行的移动。条状垫片4a、4b在此松动地布置在平面基体3上，使得在施加待测量的力期间，基体能够沿与平面基体3的承载面平行的方向移动。当在平面基体3、即电路板上导电层3a形成第二电极时，第一电极通过由导电材料、此处为弹簧钢制成的钣金件、尤其为薄膜体2来限定。当施加电压时，上述元件形成未详细示出的评估单元的测量电容，该测量电容随着力的作用和薄膜体靠近平面基体3而变化。用于与薄膜体2、从而与第一电极进行电接触的电支架5或5’分别设置在垫片4a、4b处，电支架5或5’分别与相关的垫片4a、4b一体连接。电支架5、5’形状和尺寸相同并且沿薄膜体2的周缘、沿着两个相对而置的棱边延伸，具体地，设置在不设有垫片4a、4b的棱边处，其中，对于每一电支架，其环绕方向、即它们沿其相关自由端部方向的走向相同。

电支架5、5’分别具有底端5b，该底端与平面基体3、此处为电路板的所属的金属层3b焊接在一起。为了机械地松开底端5b或所属的焊接部，电支架5或5’分别形成与基体3相距微小间距的弧形部，该弧形部分别由电支架5、5’相对于平面基体的承载面倾斜的区段5a、5c形成。该弧形部给电支架5、5’在底端5b与所属的垫片4a、4b之间的区域中提供了弹性并且在力传感器1存在机械应力的情况下释放底端5b的焊接部。

图3示出了在使用在图1中示出的力传感器1的情况下的根据本发明的操作元件10。该操作元件包括致动构件11，其相对平面基体3可移动地支承并且限定致动面11a。该致动构件形成挺杆12，该挺杆在设置用于与力传感器配合的自由端部处包括比挺杆12的材料更软的材料涂层，用于减少磨损并且保证无间隙。在中心处，薄膜体2还具有圆顶状的凸起部7，该凸起部限定挺杆12的作用点并且限定通过所述致动构件施加且需测量的、沿平面基体3的方向的作用力。在存在作用力的情况下，引起与通过薄膜体2的材料产生的弹性回复力相反的、薄膜体2的几乎平行的移动。条状垫片4a、4b在此松动地贴靠平面基体3上，使得在存在需测量的力的情况下其能够沿与平面基体3的承载面平行的方向移动，如通过双箭头所示的那样。当在平面基体3、即电路板上导电层3a形成第二电极时，第一电极通过由导电材料、此处为弹簧钢制成的钣金件、尤其为薄膜体2来限定。上述元件形成未详细示出的评估单元的测量电容，该测量电容随着力的作用和薄膜体靠近平面基体3而变化。

为了电接触薄膜体2、从而电接触第一电极，在垫片4a、4b处分别设置有电支架5或5’，其分别与相关的垫片4a、4b一体连接并且形状和尺寸相同。

电支架5具有底端5b，该底端与平面基体3、此处为电路板的所属的金属层3b焊接在一起。为了机械地松开底端5b或所属的焊接部，电支架5或5’分别形成与基体3相距微小间距的弧形部，该弧形部分别由所述电支架5、5’相对于所述平面基体的承载面倾斜的区段5a、5c形成。该弧形部给电支架5、5’在底端5b与所属的垫片4a、4b之间的区域中提供了弹性并且在力传感器1存在机械应力的情况下释放底端5b的焊接部。电支架5分别具有联接在底端5b处的自由端部5d，其延伸远离基体3。

图4示出了根据本发明的力传感器1的另一实施例，该实施例就此而言与在图1中示出的实施例不同，即，设有另一与第一和第二电极绝缘的、呈金属钣金件形式的第三电极。该第三电极至少部分覆盖薄膜体2并且布置在薄膜体2的与平面基体3背离的侧面上并且电绝缘、例如包含与薄膜体2相距的空气间隙。第一电极和第三电极13限定具有随作用力F变化的测量电容的第二精密电容器。为了使得力能够作用于薄膜体2上，第三电极13具有缺口13a，该缺口由薄膜体2的圆顶状的凸起部7穿过。在一种实施例中，额外变化的测量电容的并行检测用于验证检测，并且因此得出力传感器1的部分冗余的布置方案。

Claims (14)

1.一种电容式力传感器(1)，其包括：平面基体(3)；平面的、弹性的和/或弹性支承的薄膜体(2)；两个彼此间隔布置的垫片(4a、4b)；其中，所述薄膜体(2)通过所述垫片(4a、4b)松动地贴靠在在平面基体(3)上，其中，在所述薄膜体(2)与所述平面基体(3)之间、在所述垫片(4a、4b)之间的区域中形成腔体(8)，以在存在作用于所述薄膜体(2)上的作用力F的情况下在所述垫片(4a、4b)之间的区域中发生所述薄膜体(2)的移动和/或弯曲，并且其中，所述薄膜体(2)构成第一电极并且在所述平面基体(3)处设置有第二电极(3a)，其中，第一电极和第二电极(3a)限定了第一精密电容器，所述第一精密电容器的测量电容随将所述薄膜体压到所述平面基体的作用力F的增加而增加，并且其中，为了电接触所述第一电极，设置有从所述垫片(4a、4b)中的每一个延伸的至少一个电支架(5)，该至少一个电支架构成用于贴靠在所述平面基体(3)处的底端(5b)，通过该底端所述电支架(5)与所述平面基体(3)一体连接并且所述电支架(5)在所属的垫片(4a)与所述底端(5b)之间形成弧形部(5a、5c)，从而使得相对于平面基体保持间隙，以使得所述薄膜体(2)弹性附接至平面基体(3)。

2.根据权利要求1所述的电容式力传感器(1)，其中，所述平面基体(3)是电路板并且所述第二电极(3a)由导电涂层或所述电路板的导电层来构造。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电容式力传感器(1)，其中，所述薄膜体(2)是构成所述电容式力传感器的第一电极的弹性金属件。

4.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器(1)，其中，所述薄膜体(2)和所述垫片(4a、4b)构造成一体式。

5.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器(1)，其中，所述垫片(4a、4b)被压入所述薄膜体(2)中。

6.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器(1)，其中，所述电支架(5)分别具有联接在所述底端(5b)处的自由端部(5d)，该自由端部延伸远离所述平面基体(3)。

7.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器(1)，其中，在所述薄膜体(2)与所述垫片(4a、4b)之间设置有材料减薄部(9)，该材料减薄部(9)由一个或多个缺口(6)产生。

8.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器(1)，其中，在每个垫片(4a、4b)处设置有电支架(5、5’)，该电支架分别沿着所述薄膜体(2)的周缘、沿相同的环绕方向延伸。

9.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器(1)，其中，所述薄膜体(2)、所述垫片(4a、4b)和至少一个电支架(5)制成冲压件。

10.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器(1)，其中，设置有至少部分覆盖所述薄膜体(2)的第三电极(13)，其布置在所述薄膜体(2)的背离所述平面基体(3)的侧面上并且与所述薄膜体电绝缘，其中，所述薄膜体(2)的第一电极和第三电极(13)限定了具有随所述作用力F而变化的测量电容的第二精密电容器。

11.根据权利要求3所述的电容式力传感器(1)，其中，所述薄膜体(2)是钣金件。

12.一种操作元件(10)，包括：根据前述权利要求中任一项所述的电容式力传感器(1)、限定致动面并且作用在薄膜体(2)上的可移动致动构件(11)以及评估单元，以借助所述电容式力传感器(1)测量施加在所述致动构件(11)处的致动力F。

13.根据权利要求12所述的操作元件(10)，其中，所述薄膜体(2)具有中心的凸起部(7)并且在所述致动构件(11)与所述凸起部(7)之间设置有邻近所述凸起部(7)的挺杆(12)。

14.一种根据权利要求12或13所述的操作元件(10)在机动车中的用途。

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