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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor mit einem Grundflächenkörper sowie einem flächigen, elastisch nachgebenden Membrankörper. Bei bekannten Kraftsensoren liegt der Membrankörper über einen oder mehrere Abstandhalter an dem Grundflächenkörper an, so dass zwischen dem Membrankörper und dem Grundflächenkörper ein Hohlraum ausgebildet ist, der von einer Seite des Membrankörpers und einer Seite des Grundflächenkörpers begrenzt ist. Bei einer Krafteinwirkung auf den Membrankörper ändert sich das Volumen des Hohlraums. Im Allgemeinen weisen die den Hohlraum begrenzenden Flächen des Grundflächenkörpers und des Membrankörpers eine metallische Schicht oder Beschichtung auf und bilden so sich einander gegenüberliegende Elektroden eines Messkondensators mit einer Messkapazität aus. Der Hohlraum wird beispielsweise mit Luft als Dielektrikum ausgefüllt.
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Da der Membrankörper eine gewisse, elastische Flexibilität aufweist, reagiert er auf eine Krafteinwirkung mit einer Durchbiegung. Dadurch wird der Abstand der Elektroden zueinander verändert und somit die Kapazität des durch den Hohlraum bzw. die Elektroden definierten Kondensators. Entsprechende kapazitive Kraftsensoren sind häufig Teil einer Elektronik, so dass es bekannt ist, den Grundflächenkörper samt zugehöriger Elektrode aus einer Leiterplatte auszubilden, wie es beispielsweise aus der
US 5,134,886 A bekannt ist. Nachteilig bei diesen Kraftsensoren ist, dass der zur Durchbiegung unter Krafteinwirkung vorgesehene Hohlraum auch die Messkapazität definiert. Damit beeinflussen sich mechanische und elektrische Messeigenschaften wechselseitig. Dies ist von Nachteil bei der mechanischen bzw. elektrischen Auslegung eines kapazitiven Kraftsensors.
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Es besteht daher Bedarf nach einem kapazitiven Kraftsensor, bei dem diese Eigenschaft bei gleichzeitig hoher mechanischer und thermischer Robustheit des Kraftsensors unabhängiger voneinander ausgelegt werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor. Der erfindungsgemäße kapazitive Kraftsensor weist einen Grundflächenkörper sowie einen flächigen, elastisch nachgebenden Membrankörper auf. Ferner sind zwei beabstandet zueinander angeordnete Abstandhalter zwischen dem Grundflächenkörper und dem Membrankörper vorgesehen, wobei sich der Membrankörper über die Abstandhalter an dem Grundflächenkörper abstützt. Der Membrankörper überragt wenigstens einen der Abstandhalter und bildet mit diesem überragenden Teil ein freies Ende aus. Zwischen dem Membrankörper und dem Grundflächenkörper ist im Bereich zwischen den Abstandhaltern ein Hohlraum ausgebildet, um bei einer Krafteinwirkung auf den Membrankörper im Bereich zwischen den Abstandhaltern ein Durchbiegen des Membrankörpers zu gestatten und wobei an dem freien Ende eine erste Elektrode und an dem Grundflächenkörper eine zweite Elektrode vorgesehen ist, wobei erste und zweite Elektrode eine sich mit der Krafteinwirkung ändernde Messkapazität definieren. Beispielsweise ergibt sich die Änderung der Messkapazität durch eine sich aus dem bereichsweise Verbiegen resultierende Lageänderung des freien Endes bezüglich der zweiten Elektrode. Erfindungsgemäß sind ferner Mittel zur elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten Elektrode vorgesehen sind. „Flächig“ im Sinne der Erfindung meint einen Körper, der in zwei Dimensionen Abmessungen aufweist, die erheblich größer, beispielsweise wenigstens um den Faktor 10 größer sind als in der verbleibenden Dimension. Beispielsweise beträgt die Abmessung des Membrankörpers in dieser zuletzt genannten Dimension weniger als 2 mm, beispielsweise 1,5 oder 1,0 mm noch bevorzugter weniger als 1 mm, beispielsweise 0,5 mm. Der Membrankörper ist bei beispielweise als rechteckiges Flächengebilde ausgebildet.
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Durch die erfindungsgemäß sich ergebende räumliche Trennung von Krafteinwirkung und Messkapazität lassen sich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften vorteilhaft unabhängig voneinander einstellen. Beispielsweise werden die mechanischen Eigenschaften durch Ausgestaltung des Membrankörpers, wie Materialwahl, Abmessung, Stärke, die Wahl des lichten Maßes zwischen den Abstandshaltern, Beabstandung zwischen Membrankörper und Grundflächenkörper bestimmt, während die elektrischen Eigenschaften sich durch das Maß des Überhangs des freien Endes dessen Ausrichtung und Abstand zum Grundflächenkörper einstellen lassen.
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Die erfindungsgemäße Auslegung des Kraftsensors gestattet ferner die Anordnung eines Durchbruchs im Membrankörper in dem zwischen den Abstandhaltern liegenden Bereich. Dieser Durchbruch beeinträchtigt die Messkapazität nicht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Grundflächenkörper eine Leiterplatte und die zweite Elektrode wird durch eine metallische Beschichtung oder eine metallische Schicht der Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterplatte im Sinne der Erfindung weist ein nichtleitendes, ein- oder mehrlagiges Leiterplattensubstrat mit darauf aufgebrachten oder darin eingebrachten leitenden, bevorzugt metallischen Schichten. Die zweite Elektrode ist beispielsweise unterhalb des freien Endes des Membrankörpers und bevorzugt auf der dem freien Ende zugewandten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet. Die leitende Schicht ist gemäß einer anderen Ausgestaltung in das Leiterplattensubstrat eingebettet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, die leitende Beschichtung ferner mit einem nicht leitenden Schutzlack zu überziehen. Die metallische Beschichtung ist beispielsweise eine Kupferbeschichtung, die auf der dem Membrankörper zugewandten Oberfläche des Leiterplattensubstrats vorgesehen ist. Die Kupferschicht kann zusätzlich vergoldet sein. Diese leitende Schicht oder Beschichtung definiert die zweite Elektrode der wenigstens zwei Elektroden des durch den Kraftsensor bereitgestellten Kondensators mit kraftabhängiger Messkapazität.
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Bevorzugt ist das lichte Maß zwischen den Abstandhaltern geringer als das Maß mit dem das freie Ende den nächsten Abstandshalter überragt. Dadurch wird beim Verbiegen und durch das sich daraus ergebende Anheben des freien Endes eine besonders große Kapazitätsänderung bewirkt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des kapazitiven Kraftsensors verringert sich mit zunehmender, den Membrankörper auf den Grundflächenkörper drückender Krafteinwirkung die Messkapazität, bevorzugt wird der Abstand zwischen freiem Ende proportional zur Krafteinwirkung vergrößert. Dadurch wird eine hohe Auflösung des Kraftsensors im Anfang seines Messbereichs erreicht. Letztlich wird eine besonders hohe Betriebssicherheit und elektromagnetische Störfestigkeit im unbelasteten Zustand erreicht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei keiner Krafteinwirkung sich das freie Ende am Grundflächenkörper abstützt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei keiner Krafteinwirkung das freie Ende in seinem Bereich, der der zweiten Elektrode gegenüberliegt, einen lichten Abstand zur zweiten Elektrode von maximal 0,25 mm, bevorzugt maximal 0,1 mm einhält. Beispielsweise kann das zuvor erwähnte Abstützen so ausgestaltet sein, dass eine elektrische Berührkontaktierung der ersten und zweiten Elektrode trotz der Abstützung ausgeschlossen ist. Diese Auslegungen haben den Vorteil, dass der Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Kraftsensors in einen Bereich gelegt ist, bei dem das Verhältnis aus Messkapazitätsänderung und Hub bei zugehöriger Krafteinwirkung vergrößert ist, um so das Auflösungsvermögen des Kraftsensors zu verbessern.
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Zur Vereinfachung der Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftsensors und zur vereinfachten elektrischen Kontaktierung ist der Membrankörper ein federelastisches, die zweite Elektrode des Kraftsensors ausbildendes Metallteil. Der Membrankörper ist bevorzugt ein Federstahlblechstreifen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Membrankörper und die Abstandhalter einstückig ausgebildet. Bevorzugt sind die Abstandhalter in den Membrankörper eingeprägt.
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Beispielsweise sind die Abstandhalter als parallel zueinander verlaufende Sicken in den als Blechteil ausgebildeten Membrankörper eingeprägt.
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Zur verbesserten Kontaktierung und/oder zur sicheren Befestigung des Membrankörpers umfassen die Mittel zur elektrischen Kontaktierung bevorzugt wenigstens einen am Membrankörper ausgebildeten seitlichen Ausleger. Beispielsweise sind zwei Ausleger an gegenüberliegenden Seiten des Membrankörpers vorgesehen. Der Ansatzpunkt des wenigstens einen Auslegers am Membrankörper also der Übergangsbereich zwischen Membrankörper und jeweiligem Ausleger liegt beispielsweise im Bereich zwischen den beiden Abstandhaltern, bevorzugt näher benachbart zu einem der Abstandhalter. Bei zwei Abstandhaltern sind deren Ansatzpunkte bevorzugt zusätzlich zueinander versetzt angeordnet.
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„Seitlich“ im Sinne der Erfindung meint, dass der Ausleger sich vom Außenumfang des Membrankörpers erstreckt. Bevorzugt erstreckt er sich größtenteils in der durch die flächige Ausgestaltung des Membrankörpers definierten Ebene. Der Ausleger ist beispielsweise vorgesehen, um den Membrankörper mit der Leiterplatte zu verlöten. Der Ausleger verhindert einen zu hohen Wärmeeintrag in den Membrankörper beim Verlöten mit der Leiterplatte.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Grundflächenkörper, bzw. die Leiterplatte, eine Ausnehmung oder Bohrung, bevorzugt eine Durchbohrung, auf und der wenigstens eine Ausleger ist mit seinem freien Ende, beispielsweise mit einem gekröpften Abschnitt, in die Bohrung eingreifend eingesetzt. Dadurch wird ein sicherer Halt des Membrankörpers erreicht. Insbesondere wird eine sichere Vorpositionierung vor dem Verlöten erreicht, so dass ein Verlöten im Reflow-Verfahren, im Wellen- oder Schwallbad ermöglicht ist.
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Bevorzugt erstreckt sich der wenigstens eine Ausleger wenig abschnittsweise in Umfangsrichtung des Membrankörpers, um das durch den Membrankörper beanspruchte Bauvolumen zu minimieren. Bei zwei Auslegern erstrecken sich diese ferner bevorzugt in zueinander entgegengesetzte Richtungen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens der Membrankörper, bevorzugt der Membrankörper und der wenigstens eine Abstandhalter, noch bevorzugter sind der Membrankörper, der wenigstens eine Abstandhalter und der wenigstens eine Ausleger als Stanzteil hergestellt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Bedienelement, welches einen kapazitiven Kraftsensor in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sowie ein bewegliches, eine Betätigungsfläche definierendes Betätigungsteil, welches auf den Membrankörper einwirkt, sowie eine Auswerteinheit, um eine am Betätigungsteil anliegende Betätigungskraft mittels des kapazitiven Kraftsensors zu messen, aufweist. Beispielsweise weist das Betätigungsteil ferner eine berührungsempfindliche Fläche auf, um eine ortauflösende Berührdetektion durchzuführen, während die Betätigungskraft durch den kapazitiven Kraftsensor gemessen wird. Insbesondere bei dem zuvor beschriebenen, mit Durchbruch versehenen Membrankörper kann dieser Durchbruch vorteilhaft genutzt werden, eine Hinterleuchtung der Betätigungsfläche des Betätigungsteils zu ermöglichen, ohne dass dadurch die konstruktive Auslegung der Messkapazität beeinträchtigt ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich bevorzugte Ausführungsvarianten dar. Es zeigen:
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1: eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Kraftsensors;
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2: eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1 aus 1 im „unbelasteten“ Zustand;
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3: eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1 aus 1 unter Krafteinwirkung;
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4: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Bedienelements mit einem Kraftsensor aus 1;
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5: eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1 im „unbelasteten“ Zustand;
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6: eine Darstellung zur Verdeutlichung des Einflusses des Arbeitspunktes auf das Messverhalten des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1.
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In 1 ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1 dargestellt und insbesondere wird daraus die Formgebung des Membrankörpers 3 deutlich. Der Membrankörper 3 ist im Wesentlichen als rechteckiger Federstahlblechstreifen ausgebildet. Parallel zu dessen Schmalseiten sind zwei Sicken 4a, 4b in den Membrankörper 3 eingeprägt, die als Abstandhalter 4a, 4b fungieren. Wie in 2 zusätzlich gezeigt, liegt der Membrankörper 3 ausschließlich über die Abstandhalter 4a, 4b an einem Grundflächenkörper 2 an. Der Grundflächenkörper 2 ist eine Leiterplatte, die ein Leiterplattensubstrat und eine Kupferbeschichtung 7 aufweist. Die zur Leiterplatte gewandte Seite des Membrankörpers 3 und die zum Membrankörper 3 gewandte Seite der Leiterplatte 2 definieren einen Hohlraum 8, dessen lichtes Maß d in der zur Leiterplatte 2 parallelen Richtung u.a. durch den Abstand der Abstandhalter definiert ist. Der elektrisch leitende, metallische Membrankörper 3 weist einen den Abstandhalter 4a überragenden rechteckigen Abschnitt 5 auf, der ein freies Ende ausbildet und sich im unbelasteten Zustand, wie 2 zeigt, parallel zum Grundflächenkörper 2 erstreckt. Insbesondere das freie Ende 5 definiert eine erste Elektrode eines Messkondensators 9, der ferner durch eine grundflächenseitige zweite Elektrode 7 definiert ist und dessen Kapazität die Formgebung und damit die Druckbelastung des Membrankörpers 3 widerspiegelt. Die zweite Elektrode 7 wird durch die Kupferbeschichtung auf der Leiterplatte 2 unterhalb des freien Endes 5 des Membrankörpers 3 gebildet. Die Kupferbeschichtung 7 ist gegenüber dem Membrankörper 3 elektrisch isoliert.
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Da der Membrankörper 3 einschließlich der darin ausgeformten Sicken 4a, 4b aus Federstahlblech ausgestanzt sind, ist der Membrankörper 3 elastisch nachgebend und reagiert auf eine senkrechte Kraftbelastung F durch elastisches Durchbiegen. Dadurch verkleinert sich das Hohlraumvolumen 8 einerseits. Andererseits sorgt dieses Durchbiegen zu einem Abheben und Ankippen des freien Endes 5 um eine durch den Abstandhalter 4a definierte Kippkante, wie 3 zeigt. Die Messkapazität des außerhalb des Kraftflusses angeordneten Messkondensators 9 wird verringert und durch eine in den 1 bis 3 nicht dargestellte Auswerteinheit bestimmt. Zur Lagefixierung und zur elektrischen Kontaktierung des Membrankörpers 3 beziehungsweise des die erste Elektrode ausbildenden, freien Endes 5 sind zwei Ausleger 6 am Membrankörper 3 ausgebildet. Die Ausleger 6 und der Membrankörper 3 sind als einstückiges Blechteil aus einem Federstahlblech ausgestanzt, wobei das gesamte Blechteil zusätzlich oberflächenvergoldet ist. Die Ausleger 6 sind an den Langseiten des Membrankörpers 3 im Bereich zwischen den Abstandshaltern 4a, 4b versetzt zueinander angesetzt und erstrecken sich dann in entgegengesetzter Richtung in Umfangsrichtung entlang des Membrankörpers, wobei sie parallel beabstandet zu dessen Außenumfang verlaufen. An ihrem freien äußersten Enden sind sie gekröpft und erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu der durch den Membrankörper 3 definierten Ebene. Die gekröpften Enden sind jeweils in eine durchkontaktierte Bohrung 11 der Leiterplatte 2 eingesetzt und verlötet. Über diese Verlötung kann die erste Elektrode 5 des Messkondensators 9 durch die nicht dargestellte Auswerteinheit elektrisch kontaktiert werden.
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Die senkrechte Druckbelastung des Membrankörpers 3 erfolgt bei dem in 4 gezeigten Bedienelement durch ein beweglich gelagertes Betätigungsteil 10, das in der 4 nur bereichsweise dargestellt ist und beispielsweise ein Touchpad zur ortsauflösenden Berührdetektion trägt. Das Betätigungsteil 10 definiert auf seiner dem Kraftsensor 1 abgewandten Seite eine Betätigungsfläche. Bei Krafteinwirkung wird diese über einen stößelartigen Fortsatz auf den Membrankörper 3 des in Bezug auf die 1 bis 3 beschriebenen Kraftsensors 1.
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In 5 ist ein Kraftsensor schematisch dargestellt, bei dem der lichte Abstand h des freien Endes 5 des Membrankörpers 3 in der unbelasteten Situation des Kraftsensors 1 einen gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform einen verringerten Abstand zur Leiterplatte 2 und insbesondere zur zweiten Elektrode 7 aufweist. Der lichte Abstand des freien Endes beträgt bei keiner Krafteinwirkung beispielsweise h = 0,10 mm oder weniger, beispielsweise liegt das freie Ende 5 auf. Durch diese Auslegung wird erreicht, dass der Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Kraftsensors in einen Bereich gelegt ist, bei dem das Verhältnis aus Messkapazitätsänderung ∆C und Hub ∆h bei zugehöriger Krafteinwirkung vergrößert ist, um so das Auflösungsvermögen des Kraftsensors 1 zu verbessern. Dies wird anhand der 6 an zwei Ausführungsformen verdeutlicht. Diese unterscheiden sich in dem lichten Abstand zwischen freien Ende 5 und zweiter Elektrode 7 im unbelasteten Zustand des Kraftsensors 1. Eine hohe Annäherung im unbelasteten Zustand hat, wie 6 zeigt, den Vorteil, dass bei gleichem Hub hohe Kapazitätsänderungen ∆C bewirkt werden. Bewirkt beispielsweise ein durch Krafteinwirkung erzeugter Hub ∆x des freien Endes ausgehend von einem lichten Abstand d2 eine Kapazitätsänderung ∆C2, so sorgt, wie dargestellt, bei einem gegenüber dem Abstand d2 betragsmäßig kleineren Abstand d1 die betragsmäßig gleiche, durch Krafteinwirkung verursachte Hubänderung ∆x für eine größere Kapazitätsänderung ∆C3. Die so bewirkte Arbeitspunktverschiebung des Kraftsensors 1 sorgt letztlich für ein höheres Auflösungsvermögen und/oder höhere Störfestigkeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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