DE102014107657A1

DE102014107657A1 - Elektronischer Sensor eines elektronischen Schreibgeräts

Info

Publication number: DE102014107657A1
Application number: DE102014107657.5A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Stabilo International GmbH
Current assignee: Stabilo International GmbH
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2034-05-31
Also published as: DE102014107657B4; WO2015181368A1

Abstract

Elektronischer Sensor zum Messen von Kräften, insbesondere Auflagekräften eines elektronischen Schreibgeräts auf einer Unterlage, umfassend einen ersten, an eine Stromversorgung angeschlossenen Widerstand und einen zweiten, gegenüber dem ersten Widerstand bewegbaren Widerstand, wobei der erste Widerstand eine elektrisch leitende Kontaktfläche aufweist und der zweite Widerstand in Richtung der Kontaktfläche bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand ein elektrisch leitendes, elastisches Element umfasst, das durch Krafteinwirkung verformt werden kann, und der Gesamtwiderstand aus erstem und zweiten Widerstand durch die Größe einer Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche veränderbar ist und ein Verfahren zum Messen von Auflagekräften eines elektronischen Schreibgeräts auf einer Unterlage.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Sensor zum Messen von Kräften, insbesondere Auflagekräften, die auf ein elektronisches Schreibgerät bei Auflage auf eine Unterlage einwirken.
Stand der Technik
Preiswerte und robuste Kraftsensoren mit einfacher Auswertbarkeit sind bisher nicht bekannt. Aus diesem Grund muss für die Herstellung von Massenprodukten, wie beispielsweise elektronischen Schreibgeräten auf bekannte Sensortechnik zurückgegriffen werden, die für den gewünschten Anwendungszweck jedoch häufig zu aufwendig und damit kostspielig ist.
Elektronische Schreibgeräte werden zumeist in Kombination mit beispielsweise Touchscreens genutzt, wobei ein Schreibminenanalogon (beispielsweise ein Plastikkügelchen oder eine Plastikmine) in einem elektronischen Schreibgerät auf eine entsprechende Unterlage wie ein Tabletcomputer aufgelegt und durch Handbewegungen mit dem elektronischen Schreibgerät eine Zeichnung oder Schrift aufgebracht wird. Zum Messen der auf das elektronische Schreibgerät einwirkenden Auflagekräfte werden üblicherweise Dehnungsmessstreifen, aber auch piezoresistive Sensoren genutzt. Dabei wird die kraftbedingte Verbiegung eines Trägermaterials in eine Widerstandsänderung übersetzt.
Weiterhin können durch Krafteinwirkung bewirkte geometrische Änderungen eines entsprechenden Sensorkörpers kapazitiv ausgewertet werden, um die einwirkende Kraft zu bestimmen. Zwar haben alle diese Sensorsysteme eine ausgesprochen hohe Qualität, was die Erfassung der Auflagekräfte auch in hinreichend großen Bereichen angeht, jedoch erfordern sie viel Platz und sind zumeist schlecht gegen zu starkes Aufdrücken geschützt. Weiterhin sind diese Sensoren aufgrund der verwendeten Materialien (beispielsweise Siliziumkörper oder gedruckte Dickschichten) sehr kostspielig, was für die Herstellung eines Massenprodukts, wie eines elektronischen Schreibgeräts, nachteilig ist. Zudem weisen sie oft ein für diesen Anwendungszweck zu geringes Messsignal oder zu geringen Signalhub auf, weshalb die Auswertung der gewonnenen Sensorsignale schwierig ist.
Aufgabe
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektronischen Sensor zum Messen von Kräften, insbesondere Auflagekräften eines elektronischen Schreibgeräts auf einer Unterlage bereitzustellen, der eine hohe Auflösung und Linearität sowie hohen Signalhub mit Hinblick auf die Messung der einwirkenden Kraft aufweist, bei hoher Robustheit und gleichzeitig geringem Platzbedarf und der weiterhin kostengünstig herzustellen ist.
Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den elektronischen Sensor nach Anspruch 1 und das Verfahren zum Messen von auf einen elektronischen Sensor eines elektronischen Schreibgeräts einwirkenden Auflagekräften nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfasst.
Der erfindungsgemäße elektronische Sensor umfasst einen ersten, an eine Stromversorgung angeschlossenen Widerstand und einen zweiten, gegenüber dem ersten Widerstand bewegbaren Widerstand, wobei der erste Widerstand eine elektrisch leitende Kontaktfläche aufweist und der zweite Widerstand in Richtung der Kontaktfläche bewegbar ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand ein elektrisch leitendes, elastisches Element umfasst, das durch Krafteinwirkung verformt werden kann, und der Gesamtwiderstand aus erstem und zweiten Widerstand durch die Größe einer Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche veränderbar ist. Dieser elektronische Sensor kann deutlich kleiner als die bisherigen Sensoren gebaut werden, weshalb ein entsprechendes elektronisches Schreibgerät in Form und Größe einem üblichen Schreibgerät sehr ähnlich oder gleich sein kann. Weiterhin sind die notwendigen Materialien zum Bau des elektronischen Sensors deutlich kostengünstiger, da hier nicht auf gedruckte Systeme, basierend auf Silizium, zurückgegriffen werden muss.
In einer Ausführungsform umfasst das elastische Element ein elastisches Polymer. Die Verwendung eines elastischen Polymers kann sich als kostengünstige Alternative zu anderen Materialien erweisen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste Widerstand Kupferleitbahnen oder Dickschichtwiderstandsbahnen, umfassend eine leitfähige Glasmatrix. Auch diese Komponenten sind sehr günstig und selbst mit geringen Ausdehnungen technisch einfach herzustellen.
In einer Ausführungsform ist der erfindungsgemäße elektronische Sensor dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element eine pyramidenförmige, halbkugelförmige, kegelförmige, paraboloide, hyperboloide oder prismatische Form aufweist. Die Verwendung unterschiedlicher Formen für das elastische Element kann dazu beitragen, dass unterschiedlichen einwirkenden Kräften auch deutlich messbare unterschiedliche Gesamtwiderstände zugeordnet werden können.
Es kann vorgesehen sein, dass das elastische Element entlang einer Richtung verjüngt ist, wobei das elastische Element mit der Verjüngung in Richtung des ersten Widerstands angeordnet ist. Es wird so gewährleistet, dass eine größere Kraft auch einer größeren Auflagefläche entspricht, wobei ein Kraftzuwachs durch diese Ausbildung des elastischen Elements auch eine streng monoton wachsende Auflagefläche zur Folge hat. Somit kann die Auswertung des gemessenen Signals deutlich erleichtert werden.
Weiterhin kann an einer der kontaktseitigen Fläche des zweiten Widerstands gegenüberliegenden Seite des zweiten Widerstands ein Kraftübertragungselement angeordnet sein, das eine einwirkende Kraft auf den zweiten Widerstand übertragen kann. Dieses Kraftübertragungselement kann beispielsweise ein Schreibminenanalogon oder eine beweglich gelagerte Kugel sein, die die einwirkende Kraft auf das elastische Element übertragen kann.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das Kraftübertragungselement in einer Führung gelagert, wobei das Kraftübertragungselement senkrecht zur Kontaktfläche in der Führung bewegbar ist. Diese Führung erlaubt eine wohldefinierte Bewegung des Kraftübertragungselements und somit auch des elastischen Elements bzw. des zweiten Widerstands, wodurch die Messgenauigkeit verbessert werden kann.
Der erfindungsgemäße elektronische Sensor kann in ein elektronisches Schreibgerät eingebaut sein. Ein so ausgebildetes elektronisches Schreibgerät kann deutlich einfacher und kostengünstiger hergestellt und weiterhin so geformt werden, dass es üblichen Schreibgeräten in Form, Größe und Gewicht gleicht.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der elektronische Sensor mit einer in dem elektronischen Schreibgerät angeordneten oder mit diesem verbundenen Stromversorgung verbunden. Wird die Stromversorgung in dem Schreibgerät vorgesehen, kann dieses Schreibgerät relativ autark verwendet werden. Eine externe Stromversorgung, die an das elektronische Schreibgerät anschließbar ist, bietet jedoch den Vorteil, dass das elektronische Schreibgerät auch über lange Zeit verwendet werden kann, ohne dass es zu Ausfällen aufgrund von mangelnder Stromversorgung, wie beispielsweise einer leeren Batterie, kommt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen von auf einen elektronischen Sensor einwirkenden Kräften, insbesondere auf ein elektronisches Schreibgerät einwirkende Auflagekräfte, sieht vor, dass ein zweiter Widerstand in Abhängigkeit der auf den elektronischen Sensor einwirkenden Kraft relativ zu einer leitenden Kontaktfläche eines ersten Widerstands des elektronischen Sensors bewegt wird und der Gesamtwiderstand des ersten und zweiten Widerstands durch Veränderung der Auflagefläche eines durch die Krafteinwirkung deformierbaren elastischen Elements des zweiten Widerstands auf der Kontaktfläche verändert wird. Dieses Verfahren ist technisch deutlich einfacher und günstiger als bisherige Verfahren zum Messen von auf elektronische Sensoren einwirkenden Kräften, speziell bei Anwendung in einem elektronischen Schreibgerät.
In einer Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine auf ein mit dem zweiten Widerstand verbundenes Kraftübertragungselement einwirkende Kraft auf den zweiten Widerstand übertragen wird. So kann beispielsweise zum Schutz des zweiten Widerstands vor Umwelteinflüssen die eigentliche Kraftübertragung auf das Kraftübertragungselement stattfinden, die dann direkt oder indirekt, beispielsweise über Federn oder Ähnliches, an den zweiten Widerstand übertragen wird. So kann die Haltbarkeit des elektronischen Sensors erhöht werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Kraftübertragungselement in einer Führung in Abhängigkeit einer einwirkenden Kraft senkrecht zum ersten Widerstand bewegt wird. Auf diese Weise wird die Messgenauigkeit der zu messenden einwirkenden Kräfte deutlich erhöht.
In einer Ausführungsform wächst die Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche streng monoton mit steigender einwirkender Kraft an. Dies erleichtert die Auswertung der gemessenen Widerstandswerte.
In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Widerstand kontinuierlich oder in Zeitintervallen mit Strom durchflossen. Die kontinuierliche Messung ermöglicht eine Erfassung, beispielsweise beim Schreiben mit sehr hoher Genauigkeit, wohingegen das Stromdurchfließen des ersten Widerstandes in bestimmten Zeitintervallen energetisch sparsamer ist, was insbesondere bei beispielsweise interner Stromversorgung des elektronischen Schreibgeräts zu längerer Laufleistung führen kann.
Vorteilhaft ist, wenn durch Veränderung der Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche einwirkenden Kräften im Bereich zwischen 0N und 10N eineindeutig ein Gesamtwiderstand zugeordnet wird. So können sämtliche beim Schreiben mit elektronischen Schreibgeräten übliche Kräfte erfasst und ihnen eindeutige Messwerte zugeordnet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
1a + b Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors mit Ersatzschaltbild.
2a + b Schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor bei unterschiedlichen Kräften.
3a–e Schematische Darstellung möglicher Ausführungsformen der Kontaktfläche.
4a–f Schematische Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen des elastischen Elements.
5a + b Schematische Darstellung zweier Ausführungsformen eines elektronischen Schreibgeräts mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Sensor.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektronischen Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wie er beispielsweise in einem elektronischen Schreibgerät Anwendung finden kann. Der elektronische Sensor 100 umfasst einen ersten Widerstand 101 und einen zweiten Widerstand 102. Der erste Widerstand 101 umfasst eine Kontaktfläche, auf die der zweite Widerstand 102 aufliegen kann. Diese Kontaktfläche ist elektrisch leitend. Der zweite Widerstand 102 umfasst weiterhin ein elektrisch leitendes elastisches Element. Dieses ist hier gleichbedeutend mit dem Widerstand 102 dargestellt. Das elektrisch leitende Element ist abhängig von einer auf das Element einwirkenden Kraft F in Richtung der Kontaktfläche des ersten Widerstands 101 bewegbar bzw. verformbar. So ändert sich in Abhängigkeit von der auf das elastische Element einwirkenden Kraft F die Größe der Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche des ersten Widerstands 101 durch Veränderung der Form des elastischen Elements.
Fließt durch den ersten Widerstand 101 Strom, beispielsweise von der Spannungsquelle 103, so bewirkt eine Veränderung der Größe der Auflagefläche des zweiten Widerstands 102 auf der Kontaktfläche des ersten Widerstands 101 eine Veränderung des Gesamtwiderstands der Anordnung. Diese Veränderung kann durch eine entsprechende Auswertungseinheit 104 erfasst und so die auf den zweiten Widerstand 102 einwirkende Kraft F bestimmt werden.
Dazu zeigt 1b das elektrische Ersatzschaltbild für die Anordnung des elektronischen Sensors 100 gemäß 1a. Der erste Widerstand 101 lässt sich in drei Teilwiderstände untergliedern. Die Widerstände R₂ und R₄ links bzw. rechts des Auflagebereichs des zweiten Widerstands bzw. des elastischen Elements, befinden sich außerhalb der Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche. Der Widerstand R₃ ist gegeben durch den Widerstand des ersten Widerstands im Bereich der Auflagefläche. Der Widerstand R₁ ist der Widerstand des leitfähigen Volumens des elastischen Elements.
Ist die auf das elastische Element einwirkende Kraft nun klein, so sind die Widerstände R₁, R₂ und R₄ groß, der Widerstand R₃ jedoch relativ klein. Nimmt die auf den zweiten Widerstand 102 einwirkende Kraft zu, so steigt der Widerstand R₃. Die Widerstände R₂, R₄ und R₁ sinken jedoch. Da der Widerstand R₁ dem Widerstand R₃ parallel geschaltet ist, ergibt sich der Widerstand R, der als Gesamtwiderstand von R₃ und R₁ betrachtet werden kann, aus
Der Gesamtwiderstand R_Ges = R₂ + R₄ + R. Der Widerstand R ist abhängig von der Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche des ersten Widerstands 101 in 1a. Wird die Kontaktfläche größer, so steigt das für die Stromleitung zur Verfügung stehende Volumen im elastischen Element, weshalb der Widerstand R der Parallelschaltung aus elastischem Element und erstem Widerstand sinkt. Die Widerstände R₂ und R₄ sinken mit wachsender Auflagefläche ebenfalls, da für die Stromausbreitung eine größere Fläche auf dem ersten Widerstand 101 zur Verfügung steht, wodurch der Widerstand verringert wird. Es zeigt sich also, dass der Gesamtwiderstand der Anordnung bei steigender einwirkender Kraft fällt.
Das Maß bzw. die Rate, mit der sich der Gesamtwiderstand R_Ges mit steigender Kraft verringert, hängt maßgeblich von der Veränderung der Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche des ersten Widerstands ab.
2a zeigt eine Draufsicht auf den elastischen Sensor gemäß 1a und soll diesen Zusammenhang weiter verdeutlichen. In 2a ist der erste Widerstand 101 gezeigt. Die Kontaktfläche 210 ist elektrisch leitend. Eine Umrandung 211 der Kontaktfläche 210 kann insbesondere zur Erleichterung des Einbaus des elektronischen Sensors und zum Anbringen von stromführenden Leitungen zumindest abschnittsweise isolierend vorgesehen sein. Das elastische Element 102 ist vorzugsweise zentral auf der Kontaktfläche 210 angeordnet bzw. über dieser angeordnet. Bei der in 2a dargestellten einwirkenden Kraft F₁ liegt nur ein geringer Teil 221 der Fläche des elastischen Elements 102 auf und es ergibt sich somit nur ein geringer Stromdurchfluss bzw. ein kleines Volumen zum Stromdurchfluss durch das elastische Element 102. Der Widerstand des elastischen Elements 102 ist demnach hoch.
In 2b ist dieselbe Anordnung wie in 2a dargestellt, jedoch ist die Kraft F₂, die von oben auf das elastische Element 102 einwirkt, in diesem Fall größer als in 2a. Somit ist die Auflagefläche 221' des elastischen Elements 102 auf der Kontaktfläche 210 größer, verglichen mit 2a. Demgegenüber ist die nicht mit der Kontaktfläche 210 verbundene Fläche 222' des elastischen Elements 102 deutlich kleiner als derselbe Bereich 222 in 2a. Durch die größere Auflagefläche 221' auf der Kontaktfläche 210 stehen für den Strom mehr Strompfade durch das elastische Element zur Verfügung, weshalb der Widerstand des elastischen Elements sinkt.
Durch Beeinflussung der Struktur der Kontaktfläche 210 und der Form des elastischen Elements kann die entsprechende Widerstandskurve in Abhängigkeit von den auf das elastische Element einwirkenden Kräften so geändert werden, dass eine eineindeutige Zuordnung gemessener Widerstände und einwirkender Kräfte möglich ist. Dies gewährleistet, dass mit steigender Kraft die Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche streng monoton wächst. So ist auch sichergestellt, dass der Gesamtwiderstand der Anordnung streng monoton fällt.
Dazu zeigen 3a–d unterschiedliche Ausführungsformen der Kontaktfläche 310 des ersten Widerstands 301. Grundsätzlich kann die Kontaktfläche bzw. der erste Widerstand 301 aus interdigitierenden Strukturen bestehend aus niederohmigem Material, wie beispielsweise Kupferleitbahnen, ausgeführt sein. Es ist jedoch zur Erhöhung der Messgenauigkeit vorteilhaft, wenn die Strukturen aus höherohmigen gedruckten und/oder eingebrannten Dickschichtwiderstandsbahnen ohne Schutzabdeckung bestehen. Wird die Schutzabdeckung weggelassen, ermöglicht dies einen elektrischen Kontakt mit dem elektrisch leitenden elastischen Element. Üblicherweise wird die Dickschichttechnik mittels einer leitfähigen Glasmatrix verwirklicht, die eine hohe chemische und mechanische Beständigkeit aufweist, weshalb diese Ausführungsform bevorzugt ist, da so ein sehr langlebiger elektronischer Sensor zu günstigen Preisen bereitgestellt werden kann.
Von den Rändern 311 und 314 des ersten Widerstands 301 können elektrisch leitende Bahnen 312 auf isolierendem Material 313 aufgebracht sein. In 3a handelt es sich dabei um parallele, voneinander getrennte Bahnen, die alternierend entweder im linken Rand 311 oder im rechten Rand 314 ihren Ursprung haben und nicht bis zum gegenüberliegenden Rand reichen, so dass ein Stromfluss ohne Auflage des elastischen Elements nicht möglich und der Gesamtwiderstand in einem solchen Zustand theoretisch unendlich hoch wäre. Diese alternierende Anordnung ist nicht zwingend und es können beispielsweise auch drei Bahnen im linken Rand 311 und nur eine Bahn im rechten Rand 314 entspringen. Auch andere Kombinationen sind hier denkbar. Insbesondere kann die Dichte der Bahnen von der Mitte des ersten Widerstands 301 ausgehend, senkrecht zu den Rändern 311 und 314 variieren. So können beispielsweise ungefähr in der Mitte der Ränder 311 und 314 sehr viele Leiterbahnen vorgesehen sein, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit bei Veränderung der Auflagefläche auf der Kontaktfläche 310 zu realisieren, wohingegen zu den äußeren Begrenzungen der Ränder 311 und 314 (hier oben bzw. unten im Bild) die Dichte der Bahnen abnehmen kann.
Da in der in 3a dargestellten Ausführungsform keine direkte Verbindung der Leiterbahn 312 vom linken Rand 311 und vom rechten Rand 314 besteht, ist der Widerstand der Gesamtanordnung ohne Auflage des elastischen Elements unendlich hoch. Je größer die Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche mit steigender Kraft wird, desto mehr Verbindungen zwischen den einzelnen Leiterbahnen des linken Randes 311 und des rechten Randes 314 ergeben sich und desto geringer wird der Gesamtwiderstand der Anordnung.
Eine entsprechende Ausführung der Kontaktfläche 310 derart, dass bei Nichtkontakt mit dem elastischen Element überhaupt kein Stromfluss existiert, ist jedoch nicht zwingend. So zeigen die 3b–3d Ausbildungen der Kontaktfläche 310, bei denen die Leiterbahnen 312'–312''' eine Verbindung des linken Rands 311 und des rechten Rands 314 des ersten Widerstands 301 ermöglichen, so dass auch bei Nichtaufliegen des elastischen Elements stets ein Stromfluss möglich ist. Da solch ein Stromfluss nur durch die Leiterbahnen 312'–312''' möglich ist und durch den isolierenden Bereich 313'–313''' keine Stromleitung erfolgen kann, ist der Widerstand dieser Anordnungen bei Nichtaufliegen des elastischen Elements dennoch sehr hoch.
Liegt in 3b das elastische Element auf der Kontaktfläche 310 auf, so kommt es zu Verbindungen der Leiterbahnen 312' auch parallel zu einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Rändern 311 und 314, so dass sich der Gesamtwiderstand der Anordnung mit steigender Auflagefläche verringert.
Analoges gilt für 3c. Hier ergeben sich durch Auflage des elastischen Elements Strompfade parallel zu den Rändern 311 bzw. 314, so dass ein Stromfluss vom ersten Rand 311 unten zum zweiten Rand 314 oben besser möglich ist und sich so der Gesamtwiderstand der Anordnung verringert.
3d kann als Kombination aus den 3b und 3c angesehen werden, so dass hier die Leiterbahnen 312''' in einer Art Schachbrettmuster angeordnet sind. Der isolierende Bereich 313''' ist, verglichen mit den vorangegangenen Figuren klein, so dass auch der Gesamtwiderstand der Anordnung, selbst wenn das elastische Element nicht aufliegt, kleiner ist. Die Anordnung gemäß 3d bietet jedoch den Vorteil, dass die Dichte der Leiterbahnen vom Zentrum der Kontaktfläche 310 nach außen hin einfach variiert werden kann. Dabei erlaubt die Ausbildung der Leiterbahnen 312''' als Schachbrettmuster, verglichen mit der Ausführungsform gemäß 3a, eine erheblich sensitivere Erfassung der Auflagefläche des elastischen Elements, so dass die Ausführung gemäß 3d eine sehr hohe Genauigkeit bezüglich der Widerstandsmessung und daraus abgeleiteten einwirkenden Kraft ermöglicht.
Die Ausführungsformen gemäß den 3a bis 3d bieten einen weiteren Vorteil. Wird ein elastisches Element verwendet, dessen maximale Auflagefläche (bei der maximal vorgesehenen auf den Sensor einwirkenden Kraft) kleiner ist, als die in den 3a bis 3d dargestellte Kontaktfläche, vorzugsweise bedeutend kleiner, beispielsweise 1/10 der Kontaktfläche 310, so ist der gemessene Widerstandswert stets unabhängig von der tatsächlichen Position, an der das elastische Element auf der Kontaktfläche 310 aufliegt. Drei verschiedene Positionierungen des elastischen Elements 102–102‘‘ auf der Kontaktfläche 310 sind dazu in 3e dargestellt.
Somit kann der Einfluss eines sich leicht verschiebenden elastischen Elements während der Benutzung, beispielsweise in einem Schreibgerät, vernachlässigt werden, da er keinen Einfluss auf den gemessenen Widerstand hat. Es wird so gewährleistet, dass bei der Widerstandsmessung nur die Größe der Auflagefläche und damit die auf das elastische Element einwirkende Kraft gemessen wird. Dies gilt natürlich nur, solang sich die gesamte Auflagefläche des elastischen Elements vollständig auf der Kontaktfläche befindet und das elastische Element 102 zwar seine Position auf der Auflagefläche verändert, die Ausrichtung des elastischen Elements 102 dabei in Bezug auf die Kontaktfläche jedoch gleich bleibt. Dies erlaubt es, Scherkrafteinwirkungen, die beispielsweise auf eine mit dem elastischen Element verbundene Schreibmine bei Auflegen auf einer Unterlage auftreten können, bereits durch die spezielle mechanische Anordnung herauszufiltern.
Weiterhin ist der erfindungsgemäße Sensor dadurch unempfindlich gegenüber geringfügigen Abweichungen der Positionierung des elastischen Elements bei der Fertigung des Sensors. Das kann die Herstellungskosten weiter senken, da eine hochpräzise Positionierung des elastischen Elements 102 gegenüber der Kontaktfläche 310 (beispielsweise exakt in der Mitte der Kontaktfläche) nicht notwendig ist und eine erhebliche Fehlertoleranz gegeben ist.
Wie bereits weiter oben erwähnt, ist jedoch die Messgenauigkeit des elektronischen Sensors nicht allein von der Ausbildung der Kontaktfläche 310 abhängig, sondern hängt vielmehr auch von der Form des elastischen Elements ab. Dazu sind in den 4a–4f unterschiedliche Ausführungsformen des elastischen Elements dargestellt.
In 4a ist das elastische Element als Kegel ausgebildet. Die Spitze des Kegels zeigt bei Anordnung im elektronischen Sensor vorzugsweise in Richtung der Kontaktfläche, so dass mit steigender einwirkender Kraft zunächst die Spitze auf der Kontaktfläche aufliegt und einen Stromfluss ermöglicht und mit weiter steigender Kraft die aufliegende Fläche durch Deformation des Kegels erhöht wird. Durch die Ausbildung des elastischen Elements als Kegel kann eine gewisse Symmetrie bei der Deformation durch Krafteinwirkung gewährleistet werden, so dass die gesamte auf der Kontaktfläche des ersten Widerstands aufliegende Fläche des elastischen Elements gleichmäßig erhöht wird, was die Messgenauigkeit erhöhen kann. Aufgrund des runden Profils des Kegels 401 kann es jedoch zu Verdrehungen kommen, die gegebenenfalls Einfluss auf den Widerstand des elastischen Elements haben können.
In 4b ist das elastische Element 402 als Pyramide ausgebildet. Auch hier ergeben sich die Vorteile, wie sie in Bezug auf 4a beschrieben wurden, jedoch erlaubt die rechteckige oder sogar quadratische Grundfläche des elastischen Elements 402 eine genauere Fixierung des elastischen Elements, beispielsweise mit Hilfe von Führungen innerhalb eines elektronischen Schreibgeräts. Weiterhin kann bei Verwendung eines elastischen Elements 402 in Form einer rechteckigen Pyramide (Pyramide mit rechteckiger Grundfläche) mit unterschiedlichen Seitenlängen bereits bei der Fertigung des elektronischen Sensors eine bestimmte Ausrichtung des elastischen Elements gegenüber der Kontaktfläche, wie sie beispielsweise in 3 dargestellt ist, realisiert werden. Abhängig von der Wahl des Materials, aus dem das elastische Element hergestellt wird, kann so beispielsweise ein unterschiedlicher Widerstand in unterschiedlichen Raumrichtungen realisiert werden, der durch die gezielte Ausrichtung der rechteckigen Pyramide genutzt werden kann, um die Widerstandsmessung des elektronischen Sensors genauer zu gestalten.
4c zeigt eine Ausführungsform, bei der das elastische Element 403 halbkugelförmig oder als halber Ellipsoid ausgebildet ist. Gegenüber 4a hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass aufgrund der größeren Materialdicke, bereits an der Spitze des elastischen Elements 403 Beschädigungen durch starkes Aufdrücken oder ruckartige Bewegungen bei Verwendung des elektronischen Sensors in einem elektrischen Schreibgerät vermieden werden können und so die Langlebigkeit des elektronischen Sensors erhöht werden kann.
In 4d ist eine weitere Ausführungsform des elastischen Elements in Form eines Prismas dargestellt. Während in 4d das Prisma aus Parallelverschiebung einer rechteckigen Grundfläche hervorgegangen ist, können jedoch auch Prismen mit sechseckigen, achteckigen oder mehreckigen Grundflächen verwendet werden. Das Prisma kann auf der Auflagefläche des ersten Widerstands entweder mit einer Kante oder einer Ecke aufliegen. Aufgrund der Form des Prismas können auch hier analoge Vorteile, wie sie mit Bezug auf die Ausbildung des elastischen Elements als Pyramide beschrieben wurden, ausgenutzt werden, um die Genauigkeit des elektronischen Sensors zu erhöhen.
4e zeigt eine weitere Ausführungsform des elastischen Elements 405. Dabei handelt es sich um eine geometrische Form, die aus Rotation einer bestimmten Funktion um die Rotationsachse R entsteht. Dabei eignen sich manche Funktionen besonders, um eine Vergrößerung der Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche des ersten Widerstands erst bei Erreichen einer bestimmten Kraft signifikant zu steigern. Die in 4e dargestellte Ausführungsform ermöglicht beispielsweise im oberen Bereich, entfernt von der Spitze 451, durch geringfügig steigende Kraft eine erhebliche Vergrößerung der Auflagefläche durch die starke Verbreiterung des elastischen Elements 405 in diesem Bereich. Geeignete Funktionen, die bei Rotation um die Rotationsachse R einen entsprechenden Körper formen, sind beispielsweise hyperbolische Funktionen oder Funktionen wie f(x) = x^–1 oder g(x) = e^–x.
4f zeigt eine weitere Ausführungsform, die aus einer Kombination der 4e mit 4c entsteht. Das elastische Element 406 kann in diesem Fall als zusammengesetzt aus einer Halbkugel im Bereich 461 und einer Oberfläche bzw. einem Körper 462, der aus Rotation einer Funktion um die Rotationsachse R gebildet wird, angesehen werden. Auf diese Weise können die unterschiedlichen Vorteile der einzelnen in den 4a–4e beschriebenen elastischen Elemente miteinander kombiniert werden, um bestimmte Zielstellungen hinsichtlich der Empfindlichkeit des elektronischen Sensors zu realisieren. Die in 4f dargestellte Kombination der Ausführungsformen gemäß 4e und 4c sind dabei nur beispielhaft. Es können auch andere geometrische Formen miteinander kombiniert werden.
5a zeigt eine Ausführungsform, bei der der elektronische Sensor gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen in einem elektronischen Schreibgerät 550 eingebaut ist. Das elektronische Schreibgerät 550 kann dabei einen Körper 551 umfassen, in dem der elektronische Sensor angeordnet ist. Der Körper kann die Form eines gewöhnlichen Stiftes aufweisen oder dieser Form ähneln.
Der elektronische Sensor selbst, der innerhalb des Körpers 551 angeordnet bzw. befestigt ist, kann mit einem Kraftübertragungselement 520 verbunden sein. Dabei ist bevorzugt, wenn das Kraftübertragungselement 520 direkt mit dem elastischen Element 502, das den zweiten Widerstand bildet, verbunden ist. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass das Kraftübertragungselement 520 und das elastische Element als ein Werkstück hergestellt werden oder über Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Ist die Verbindung durch die Verbindungselemente lösbar ausgebildet, kann das Kraftübertragungselement und/oder das elastische Element 502 ausgetauscht werden, falls dies erforderlich ist, beispielsweise bei Beschädigungen. Ist das Kraftübertragungselement austauschbar ausgebildet, kann beispielsweise in Abhängigkeit der Unterlage, auf der das Schreibgerät verwendet werden soll, ein bestimmtes Kraftübertragungselement verwendet werden. So kann bei empfindlichen Oberflächen ein besonders reibungsarmes Kraftübertragungselement beispielsweise aus Glas oder Kunststoff verwendet werden. Soll das Schreibgerät auch zur Bedienung eines Touchdisplays nutzbar sein, so kann hierzu ein Kraftübertragungselement genutzt werden, das zumindest an der auf der Unterlage aufliegenden Spitze elektrisch leitend ist (bei Verwendung mit kapazitiven Displays). Das Kraftübertragungselement kann analog zu einer Kugelschreibermine ausgebildet sein und ist vorzugsweise dazu geeignet, auf einer Oberfläche 552, auf der das elektronische Schreibgerät benutzt werden soll, aufgesetzt zu werden. Die beim Aufsetzen auf die Oberfläche 552 übertragene Kraft F wirkt dann in gleicher Stärke zurück auf das Kraftübertragungselement 520.
Das Kraftübertragungselement 520 ist zur Übertragung dieser Kraft auf das elastische Element 502 vorzugsweise in einer Führung 521 angeordnet. In dieser kann das Kraftübertragungselement 520 entsprechend der angegebenen Pfeilrichtung bewegt werden, wodurch auch das elastische Element 502 in Richtung der Kontaktfläche des ersten Widerstands 501 bewegt werden kann. Über die Spannungsquelle 103, die in dem Körper 551 des elektronischen Schreibgeräts 550 angeordnet sein kann, erfolgt eine Stromzufuhr, wodurch die Auswertungseinheit 104 dann aus der Messung des Widerstandes die auf das elastische Element 502 über das Kraftübertragungselement 520 übertragene Kraft F bestimmen kann. Anhand der gewonnenen Daten kann dann beispielsweise eine Strichdicke basierend auf der Auflagekraft ermittelt werden, wodurch beispielsweise auf einem Bildschirm, ein Strich mit der entsprechenden Dicke angezeigt wird.
Alternativ zu dem beschriebenen Kraftübertragungselement 520 kann auch vorgesehen sein, dass anstelle des Kraftübertragungselements 520 eine gebräuchliche Schreibgerätemine (beispielsweise Kugelschreibermine) verwendet wird.
Dabei kann die Schreibgerätmine einen Pastenbehälter umfassen, in dem die Schreibpaste enthalten ist. Das elektronische Schreibgerät kann so zum normalen Schreiben auf Papier verwendet werden und gleichzeitig dazu die auf das Papier aufgebrachten Schriftzüge digitalisieren. Die Schreibmine kann, beispielsweise am Ende des Pastenbehälters, ein Verbindungselement aufweisen, das mit einem komplementären Verbindungselement am elastischen Element in Verbindung gebracht werden kann, sodass die Schreibgerätmine eine auf sie einwirkende Kraft an das elastische Element übertragen kann. Dabei übernimmt hier die Schreibgerätmine die kraftübertragende Wirkung des Kraftübertragungselements 520.
Um ein Zurückstellen des Kraftübertragungselements und demnach auch des damit verbundenen elastischen Elements 502 bei nicht auf das Kraftübertragungselement 520 einwirkender Kraft sicherzustellen, kann vorgesehen sein, dass das Kraftübertragungselement 520 mit einer Feder 522 verbunden ist, die bei nicht auf das Kraftübertragungselement 520 einwirkender Kraft im entspannten Zustand dafür sorgt, dass das elastische Element 502, das mit dem Kraftübertragungselement 520 verbunden ist, in der Ausgangsstellung gegenüber dem ersten Widerstand 501 angeordnet ist, so dass die Auflagefläche auf der Kontaktfläche gering oder gar Null ist. Diese Ausführungsform ist in 5b dargestellt. Wird eine Kraft auf das Kraftübertragungselement angewandt, so wird die Feder 522 gestaucht und das Kraftübertragungselement bewegt sich entlang der Führung, wodurch die Auflagefläche des elastischen Elements 502 auf der Kontaktfläche des ersten Widerstands 501 vergrößert wird. Dabei kann die Feder in vorteilhafter Weise auch genutzt werden, um einen Teil der auftretenden Kräfte zu kompensieren, um Beschädigungen des elektronischen Sensors zu vermeiden und/oder um die Vergrößerung der Auflagefläche mit größer werdender Auflagekraft zu begrenzen. Um die Kompensation der auf das elastische Element 502 einwirkenden Kraft bei Vorsehen der Feder 522 bei der Messung der Auflagekraft durch die Widerstandsänderung zuverlässig berücksichtigen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Stauchung der Feder bei üblichen, auf das elektronische Schreibgerät einwirkenden Kräften im linear-proportionalen Bereich liegt. Das bedeutet, dass die Feder sich entsprechend dem hookschen Gesetz verhält und eine auf sie einwirkende Kraft F eine Stauchung um –F/k = x, verglichen mit der ungespannten Feder, bewirkt, wobei k die Federkonstante ist. Wird zusätzlich ein Sensor vorgesehen, der die Stauchung x der Feder messen kann, so kann die ermittelte, auf die Feder einwirkende Kraft bei der Bestimmung der insgesamt auf das Kraftübertragungselement einwirkenden Kraft gut berücksichtigt werden.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass mit Hilfe eines solchen elektronischen Sensors in einem elektronischen Schreibgerät Kräfte zwischen 0 und 10 N gemessen werden, so dass diese beispielsweise den beim Schreiben üblichen Auflagekräften entsprechenden Strichdicken zugeordnet werden können.

Claims

Elektronischer Sensor zum Messen von Kräften, insbesondere Auflagekräften eines elektronischen Schreibgeräts auf einer Unterlage, umfassend einen ersten, an eine Stromversorgung angeschlossenen Widerstand und einen zweiten, gegenüber dem ersten Widerstand bewegbaren Widerstand, wobei der erste Widerstand eine elektrisch leitende Kontaktfläche aufweist und der zweite Widerstand in Richtung der Kontaktfläche bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand ein elektrisch leitendes, elastisches Element umfasst, das durch Krafteinwirkung verformt werden kann, und der Gesamtwiderstand aus erstem und zweiten Widerstand durch die Größe einer Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche veränderbar ist.
Elektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element ein elastisches Polymer umfasst.
Elektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand Kupferleitbahnen oder Dickschichtwiderstandsbahnen, umfassend eine leitfähige Glasmatrix, umfasst.
Elektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element eine pyramidenförmige, halbkugelförmige, kegelförmige, paraboloide, hyperboloide oder prismatische Form aufweist.
Elektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element entlang einer Richtung verjüngt ist, wobei das elastische Element mit der Verjüngung in Richtung des ersten Widerstands angeordnet ist.
Elektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der kontaktseitigen Fläche des zweiten Widerstands gegenüberliegenden Seite des zweiten Widerstands ein Kraftübertragungselement angeordnet ist, das eine einwirkende Kraft auf den zweiten Widerstand übertragen kann.
Elektronischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement in einer Führung gelagert ist, wobei das Kraftübertragungselement senkrecht zur Kontaktfläche in der Führung bewegbar ist.
Elektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Sensor in ein elektronisches Schreibgerät eingebaut ist.
Elektronischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Sensor mit einer in dem elektronischen Schreibgerät angeordneten oder mit diesem verbundenen Stromversorgung verbunden ist.
Verfahren zum Messen von auf einen elektronischen Sensor einwirkenden Kräfte, insbesondere auf ein elektronisches Schreibgerät einwirkende Auflagekräfte, wobei ein zweiter Widerstand in Abhängigkeit der auf den elektronischen Sensor einwirkenden Kraft relativ zu einer leitenden Kontaktfläche eines ersten Widerstands des elektronischen Sensors bewegt wird und der Gesamtwiderstand des ersten und zweiten Widerstands durch Veränderung der Auflagefläche eines durch die Krafteinwirkung deformierbaren elastischen Elements des zweiten Widerstands auf der Kontaktfläche verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf ein mit dem zweiten Widerstand verbundenes Kraftübertragungselement einwirkende Kraft auf den zweiten Widerstand übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement in einer Führung in Abhängigkeit einer einwirkenden Kraft senkrecht zum ersten Widerstand bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche streng monoton mit steigender einwirkender Kraft anwächst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand kontinuierlich oder in Zeitintervallen mit Strom durchflossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Veränderung der Auflagefläche des elastischen Elements auf der Kontaktfläche einwirkenden Kräften im Bereich zwischen 0N und 10N eineindeutig ein Gesamtwiderstand zugeordnet wird.