CN113924730A - 用于过程或自动化工程的测量仪器的操作者控制单元以及具有这种操作者控制单元的测量仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过程或自动化工程的测量仪器的操作者控制单元，该操作者控制单元由至少两个相邻布置的控制面板(10a)构成，控制面板(10a)通过按压相应形状可变的或弹性的壳体区域(2a)来操作，壳体区域具有布置在其下方的相应电容式传感器元件(11)。传感器元件(11)各自具有作为下板电容器的第一电极(11a)和在第一电极上方平行布置作为上板电容器的对电极(11b)，并且按压一个壳体区域(2a)使得相应的上板电容器(11b)接近相应的下板电容器(11a)，因此改变电容。第一电极(11a)附接到第一载体材料(12)，并且对电极(11b)附接到第二载体材料(13)。根据本发明，壳体区域(2a)以不中断方式彼此相邻地布置，并且传感器元件(11)是多层复合印刷电路板(100)的一部分，该多层复合印刷电路板抵靠壳体区域(2a)的内侧，其中，复合印刷电路板(100)至少包括：第一载体材料(12)，其由多段的刚性电路板构成，其中在段之间各自布置有柔性中间件；和采用导电层形式的第二载体材料(13)，该两个载体材料经由插入的塑料层(15)彼此隔开，这形成测量室(17)，并且其中，塑料层(15)包括多个中断部，其用于形成传感器元件(11)以及在控制面板(10a)之间的分离区域(16)。

Description

用于过程或自动化工程的测量仪器的操作者控制单元以及具 有这种操作者控制单元的测量仪器

技术领域

本发明涉及用于过程或自动化工程领域中的测量仪器的操作者控制单元以及具有这种操作者控制单元的测量仪器。

背景技术

在自动化和过程工程中，经常使用传感器和测量仪器，这些传感器和测量仪器将测量值(例如压力、温度、流速、以及距离或振动)传输到以模拟或数字电流或电压信号的形式表示该测量值的输出信号中，并在其电缆或插头连接件处(但有时也无线地)将该信号提供给更高级的控制单元(例如PLC)，以便进一步处理。

典型的测量仪器主要由传感器元件(也称为换能器)构成，该传感器元件用于检测过程值的物理测量变量并将其转换成测量信号。此外，设置评估单元，其通常被实现为微控制器，并且在该评估单元中，由传感器元件生成的测量信号被调节(即放大)并且通常也已经被处理。在输出侧，评估单元既连接到显示单元又连接到通信接口，经由该通信接口，经调节的测量信号可以传输到上述控制单元。当前测量值显示在显示单元上。此外，显示单元通常也用于对测量仪器进行设置和参数化。为此，测量仪器还包括对应的输入选项。在所讨论的类型的典型测量仪器中，这些输入选项设计为操作键，其致动影响微型按钮。在这方面，例如参考DE 102014206486A1。

除了机械开关和按钮之外，还已知仅通过借助封闭的壳体壁触摸设备来操作设备的各种可能性。例如，已知磁性致动，其中，设备内部的簧片触点由可移动地附接到壳体外侧的磁体致动。此外，已知通过透明的壳体壁(例如显示仪器的玻璃板)进行的光学反射致动。光学反射致动经常用于指示器领域。例如，从DE 102005048021 B3中已知一种自动化设备，该自动化设备可以借助于无源红外传感器在本地操作。

然而，所有这些开关和按钮都需要中断其中插入有例如玻璃板等的壳体，这导致紧密性问题、或者附接到壳体外侧的复杂结构(例如为磁体形式)。

从德国专利说明书DE 102013225076 B4中已知通过触摸设置在壳体壁上的敏感表面借助封闭壳体壁(即根据量热原理)来检测键击。在这种情况下，确定作为发生的热输运的结果的由于触摸敏感表面引起的温度变化。

US 2013/0126325 A1公开了一种借助于电容式触摸传感器实现的电子设备的操作者控制单元。通过压下金属的可变形区域，电容式传感器的电容值变化，使得因此可以检测到键击。然而，那里示出的解决方案仅可以应用于具有非常薄的壳体厚度的操作者控制单元或控制面板。在所讨论的旨在用于自动化和过程工程中的测量仪器的情况下，它们的壳体必须对应地设计得更厚并且因此更稳定，以便经受经常非常恶劣的工业条件。

从DE 102011075942 A1中已知一种用于电器的操作设备。该操作设备包括不中断的壳体区域、多层导电复合体和塑料层，该塑料层包括若干中断部并且形成测量室。

从US 5086652 A中已知一种用于测量多个位置处的力的触摸传感器，其中，各个传感器通过密拉聚酯的柔性层互连。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过坚固的封闭壳体壁操作上述类型的测量仪器的替代可能性。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的操作者控制单元以及通过具有权利要求8的特征的过程或自动化工程的测量仪器来实现，该测量仪器包括这种操作者控制单元。本发明的有利实施例在从属权利要求中指示。

测量仪器通过按压操作者控制单元的为形状可变或弹性壳体区域形式的一个控制面板来操作。在壳体区域下方分别布置电容式传感器元件。传感器元件各自包括作为下电容器板的第一电极和平行地布置在其上作为上电容器板的对电极。按压一个壳体区域使得相应的上电容器板接近相应的下电容器板，由此触发电容的变化。

第一电极沉积在第一载体材料上，并且对电极沉积在第二载体材料上。根据有利的进一步改进，弹性壳体区域各自在上电容器板的区域中包括局部削弱部，其各自形成为外壳体壁的可触觉感知的凹陷。

对于本发明重要的是，壳体区域(且因此测量仪器的壳体整体)彼此相邻地布置而不中断，并且传感器元件是多层印刷电路板复合体的一部分，该多层印刷电路板复合体抵靠壳体区域的内侧。优选地，壳体区域由金属形成，但也可以考虑其它合适的材料(例如塑料)。因此，测量仪器的壳体可以有利地设计为深拉件，这显著降低了制造成本，并且印刷电路板复合体结合(例如牢固地结合，优选地借助于粘合剂结合)到壳体区域的内侧，或者替代性地借助于夹紧设备压靠在壳体区域的内侧(即，跨所有控制面板整体地)。这确保了壳体区域与印刷电路板复合体之间的永久且牢固的连接。

印刷电路板复合体至少包括：第一载体材料，其由若干段刚性印刷电路板构成，其中在这些段之间布置有柔性中间件，并且第一载体材料优选地设计为刚挠结合印刷电路板；和导电层形式的第二载体材料，导电层优选地设计为导电膜，第一载体材料和第二载体材料都借助于插入的塑料层彼此隔开。塑料层包括若干中断部，以形成传感器元件和在操作者控制单元之间的分离区域。在本发明的上下文中，导电膜被理解为具有结构化导电迹线的聚酰亚胺基板，而刚挠结合印刷电路板是若干段常规刚性印刷电路板的复合体，各段印刷电路板借助于膜状的且因此柔性的中间件连接到彼此。

所述印刷电路板复合体的制造及其在测量仪器中的安装都比较简单，使得本发明(特别是与通过深拉工艺生产的测量仪器壳体相结合)为具有不中断壳体的测量仪器的操作者控制单元提供了成本有效的解决方案。由于深拉工艺而频繁发生的变形由柔性印刷电路板复合体补偿，其中，印刷电路板复合体通过用作一种基础的一定比例的刚性PCB段而被给予必要的稳定性。特别地，当所讨论的测量仪器将用于卫生领域时，在测量仪器处设置操作者控制单元经常提出特殊的挑战。本发明现在使得可以以低成本为必须可现场操作的测量仪器配备卫生上合适的操作者控制单元。

附图说明

下面将参考附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。

附图示意性地示出：

图1是根据现有技术的用于过程测量工程的测量仪器；

图2是根据现有技术的图1的测量仪器的壳体头部；

图3是包括根据本发明的操作者控制单元的壳体头部的侧视图，该操作者控制单元由三个控制面板构成；

图4是图3的壳体头部的顶视图；

图5是根据本发明的控制面板的剖视图；以及

图6是根据本发明的由两个控制面板构成的操作者控制单元的剖视图。

在以下对优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或相当的部件。

具体实施方式

图1和图2示出了根据现有技术的用于过程测量工程的测量仪器1，在这种情况下是压力测量仪器，其由申请人以名称PNxxxx销售。测量仪器1基本上由壳体2构成，该壳体被分成上部3和下部4。也称为过程连接件的下部一方面包括传感器单元(例如在压力测量仪器的情况下的压力测量单元)，另一方面使得测量仪器1能够机械连接到容纳介质的容器或管。替代性地，在下部4中，还可以设置用于连接远程定位的传感器单元的接口。在上部3中布置有电子单元，该电子单元用于评估和调节由传感器单元供应的测量信号，这些测量信号然后可以经由所示的插头连接件分接并且例如转发到PLC。

在上部3上安装有壳体头部5，该壳体头部根据本发明除了其他的以外包括显示设备6和三个操作元件10。示出了分离的壳体头部5的图2再次清楚地示出了显示器6和三个操作元件10的布置。操作元件10用于操作测量仪器1，即进行基本键数据(例如开关点)的参数化或设置。经由显示器6向用户指示各个动作。

图3和图4分别示出了包括根据本发明的操作者控制单元10的壳体头部5，其中，采用了具有三个键型输入选项10a的已知操作概念。然而，与图1和图2的已知的测量仪器相比，在此不存在单独的键，而是壳体区域2a无中断地围绕操作者控制单元10设计，并且仅设计为引入到壳体区域2a中的可触觉感知的凹陷。壳体区域2a的表面可以包括对应的标记，其使得用户能够相应地指定待致动的壳体区域2a。虚线圆旨在指示这些控制面板10a。因此，可以通过封闭的壳体壁操作测量仪器1。

图5示出了作为由若干控制面板10a构成的操作者控制单元10的一部分的根据本发明的控制面板10a的剖视图。基本上，控制面板10a由印刷电路板复合体100构成，该印刷电路板复合体抵靠测量仪器壳体2的壳体区域2a的内侧。在本发明的情况下，印刷电路板复合体100借助于粘合层14牢固地结合到壳体区域2a的内侧。然而，也可以想到其它紧固或连接选项，特别是借助于例如弹簧元件形式的夹紧设备将印刷电路板复合体100压靠在壳体区域2a的内侧上。

印刷电路板复合体100基本上由第一载体材料12和导电层形式的第二载体材料13构成，第一载体材料优选地设计成刚挠结合印刷电路板形式，导电层优选地形成为导电膜。两个载体材料12、13通过作为间隔件的段状塑料层15以在它们之间形成测量室17的这种方式彼此隔开。

在控制面板10a的区域中，刚挠结合印刷电路板12包括柔性的中间件12b，在该中间件的下侧上布置有实际的导电迹线12c，并且在该中间件的上侧上布置有电路板段12a。在此，导电迹线12c也横向地延伸穿过柔性中间件12b和电路板段12a，并且在电路板段12a的上侧在测量室17的区域中形成层状的第一电极11a。

测量室17的相对侧由导电膜13形成。在这种情况下，聚酰亚胺载体基板面向壳体壁10、10a，而形成导电迹线的铜层面向测量室17。形成有层状形状的该铜层在测量室17的区域中表示对电极11b。

这种结构一方面给予印刷电路板复合体100一定的柔性，这使得印刷电路板复合体能够符合壳体的内部并且补偿特别是由于制造引起的微小的不均匀性，并且另一方面由于该比例的刚性印刷电路板段12a而给予印刷电路板复合体必要的稳定性，这些刚性印刷电路板段几乎充当一种基础。

第一电极11a和对电极11b一起形成测量电容器形式的电容式传感器元件11。该传感器元件11布置在可变形的或弹性的壳体区域2a的下方，该壳体区域通过所施加的手指的压力而变形或偏转。由于印刷电路板复合体100与壳体内部的牢固接触，当壳体区域2a变形时，对电极11b平行地共同变形。对电极11b的变形导致其移动得更靠近与其平行布置的第一电极11a，这导致所形成的电容器的电容的变化。

导电膜13的聚酰亚胺载体另外用作电绝缘体，因为壳体区域2a本身或其材料对传感器元件11没有影响。首先，壳体区域2a本身不表示电极，使得壳体可以由任何材料制成。

为了更好的触觉感知并且为了产生预定的弯曲点，壳体区域2a包括在传感器元件11上方的槽状凹陷形式的局部削弱部2b。

该图不是按比例的，并且仅旨在阐明基本结构。壳体10、10a在凹陷区域中的厚度为大约1mm。当然，壳体10的整体材料厚度也可以更大。导电膜13具有在约90μm范围内的厚度，而塑料层15为约50μm厚(加上可能的粘合层)，并且刚挠结合印刷电路板12具有约1.6mm的总厚度。测量室17的宽度为约13mm。

图6示出了根据本发明的由如图5所示的两个控制面板10a构成的操作者控制单元10的剖视图。为了避免重复，在此将仅讨论额外元件。

可以看到，两个控制面板10a的壳体区域2a彼此相邻而不中断地布置，使得测量仪器至少在操作者控制单元的区域中可以由连续的壳体形成。还可以看到，塑料层15包括若干中断部，不仅用于形成测量室17(如已经参照图5描述的)，而且用于在两个控制面板10a之间形成分离区域16，借助于该分离区域，两个控制面板10a彼此机械地分离，并且控制面板10a的按压不被传递到另一者。PCB复合体100因此可形成为整体且延伸跨过所有控制面板10a。

操作者控制面板10a的宽度优选地为大约20mm，而分离区域为大约5mm宽。图6所示的操作者控制单元10因此具有大约45mm的总宽度。

附图标记列表

1测量仪器

2测量仪器的壳体

2a壳体区域

2b壳体区域的局部削弱部

3上部

4下部

5壳体头部

6显示器

10操作者控制单元

10a操作按钮/控制面板

11电容式传感器元件

11a第一电极

11b对电极

12第一载体材料、刚挠结合印刷电路板

12a印刷电路板段

12b柔性中间件

12c导电迹线

13第二载体材料、柔性导电膜

14粘合层

15间隔件、塑料层

16分离区域

17测量室

100印刷电路板复合体

Claims (8)

1.一种用于过程或自动化工程的测量仪器的操作者控制单元，由至少两个彼此相邻布置的操作面板(10a)构成，

其中，所述操作面板(10a)通过分别按压形状变化的或弹性的壳体区域(2a)来操作，各个壳体区域(2a)包括设置在其下方的电容式传感器元件(11)，

其中，所述传感器元件(11)各自包括作为下电容器板的第一电极(11a)和在所述第一电极(11a)上方平行布置作为上电容器板的对电极(11b)，并且其中，通过按压一个所述壳体区域(2a)，相应的上电容器板(11b)接近相应的下电容器板(11a)，并且因此发生电容变化，

其中，所述第一电极(11a)应用到第一载体材料(12)上，并且所述对电极(11b)应用到第二载体材料(13)上，

其特征在于，

所述壳体区域(2a)彼此相邻而不中断地布置，并且所述传感器元件(11)是多层印刷电路板复合体(100)的一部分，所述多层印刷电路板复合体(100)抵靠所述壳体区域(2a)的内侧，

其中，所述印刷电路板复合体(100)至少包括：所述第一载体材料(12)，所述第一载体材料(12)由若干段的刚性印刷电路板构成，其中在所述段之间分别布置有柔性中间件；和采用导电层形式的所述第二载体材料(13)，所述第一载体材料(12)和所述第二载体材料(13)都通过中间塑料层(15)彼此分开，同时形成测量室(17)，

并且其中，所述塑料层(15)包括多个中断部，以用于形成所述传感器元件(11)以及在所述控制面板(10a)之间的分离区域(16)。

2.根据权利要求1所述的操作者控制单元，其特征在于，所述弹性壳体区域(2a)各自在所述上电容器板(11b)的区域中具有局部削弱部(2b)，所述局部削弱部(2b)分别形成为外壳体壁中的触觉可感知的凹陷。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的操作者控制单元，其特征在于，所述印刷电路板复合体(100)牢固地结合到所述壳体区域(2a)的所述内侧。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的操作者控制单元，其特征在于，所述印刷电路板复合体借助于夹紧设备压靠在所述壳体区域(2a)的所述内侧上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的操作者控制单元，其特征在于，所述第二载体材料(13)的所述导电层形成为导电膜。

6.根据前述权利要求中任一项所述的操作者控制单元，其特征在于，所述第一载体材料(12)具有刚挠结合电路板的形式。

7.根据前述权利要求中任一项所述的操作者控制单元，其特征在于，所述壳体区域(2a)由金属形成。

8.一种过程或自动化工程的测量仪器，包括：多部分壳体(2)，其中，在所述壳体的下部(4)中布置传感器单元或用于连接传感器单元的接口，并且所述壳体的上部(3)被设置用于容纳用于评估由所述传感器单元供应的测量信号的电子单元；以及壳体头部(5)，安装在所述壳体(2)的所述上部(3)上并且包括显示设备(6)和用于操作所述测量仪器(1)的操作者控制单元(10)，

其中，所述操作者控制单元(10)根据前述权利要求中任一项来配置。

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