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Die Erfindung betrifft eine Einheit zum Erfassen einer auf eine berührungsempfindliche Anzeige ausgeübten Kraft, eine Anzeigeeinheit mit einer solchen Einheit und ein Verfahren zum Erfassen einer auf eine berührungsempfindliche Anzeige ausgeübten Kraft mit einer solchen Einheit.
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Stand der Technik
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Eine berührungsempfindliche Anzeige, die auch als berührungsempfindlicher Bildschirm oder berührungsempfindliches Anzeigefeld bezeichnet wird, stellt ein kombiniertes Ein- und Ausgabegerät dar, bei dem durch Berühren von Teilen eines Bilds bzw. eines Bereichs der Anzeige bspw. der Programmablauf eines technischen Geräts gesteuert werden kann. Das Berühren der Anzeige kann mit einem Zeigestift aber auch mit einem Finger des Nutzers erfolgen. Dabei ist sowohl von Bedeutung, an welcher Stelle der Anzeige die Berührung erfolgt, als auch die Kraft, die bei der Berührung auf den Bildschirm ausgeübt wird.
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Die hierin vorgestellte Einheit und Anzeige sowie das beschriebene Verfahren beschäftigen sich vornehmlich mit der Frage, wie die Kraft, mit der der Finger auf eine berührungsempfindliche Anzeige gedrückt wird, erfasst und damit bestimmt werden kann.
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Bei bekannten Verfahren wird die Kraft indirekt über die Bewegung senkrecht zur Anzeige- bzw. Displayoberfläche als Distanzänderung gemessen. Hierzu kann bspw. die Kraft indirekt über die Messung einer Distanz mittels optischer Elemente ermittelt werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass optische Elemente schmutzempfindlich sind und eine Verschmutzung die Ergebnisse der Messung stark beeinflussen kann. Weiterhin sind optische Elemente empfindlich gegenüber Streulicht. Gerade im Bereich von Anzeigesystemen kann jedoch Streulicht auftreten.
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Weitere bekannte Verfahren sind:
- • induktive / kapazitive Wegmessung,
- • Triangulation-Messung,
- • berührungsempfindliche Fläche wird als ideal steif betrachtet und es erfolgt eine Messung über vier Kraftsensoren an den Ecken der berührungsempfindlichen Fläche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden eine Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Anzeigeeinheit gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren nach Anspruch 8 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Die vorgestellte Einheit dient zum Erfassen einer auf eine berührungsempfindliche Anzeige ausgeübten Kraft. Dabei sind in der Einheit eine Leiterplatte, mindestens ein Federelement und mindestens ein Sensorelement integriert. Diese bedeutet, dass eine Einheit bzw. ein Bauteil vorgesehen ist, die bzw. das insbesondere einstückig ausgebildet ist, und in dem alle Komponenten vorgesehen sind, um die federnde Funktion zum zumindest teilweise Aufnehmen einer Kraft und die erfassende bzw. sensorische Funktion zum Erfassen dieser Kraft, insbesondere zum mittelbaren bzw. indirekten Erfassen der Kraft, auszuüben. Das mittelbare Erfassen der Kraft bedeutet, das eine Größe aufgenommen wird, die diese Kraft repräsentiert, d. h. diese Größe ermöglicht eine Aussage zu der Kraft. Diese Kraft kann dann bestimmt bzw. gemessen werden.
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Die Einheit ist dazu ausgebildet, mit einer Anzeige verbunden zu sein, so dass bei Ausüben einer Kraft auf die Anzeige die Einheit dazu eingerichtet ist, die Kraft zumindest teilweise aufzunehmen und die Kraft zu erfassen. Miteinander verbunden bedeutet, dass die Anzeige und die Einheit so zueinander anzuordnen sind, dass sich eine Kraft, die auf die Anzeige ausgeübt wird, auch auf die Einheit auswirkt, d. h. dass diese Kraft bzw. eine diese repräsentierende Größe auch an bzw. bei der Einheit zu erfassen und damit zu bestimmen bzw. zu messen ist.
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In einer Ausführungsform trägt die Leiterplatte das mindestens eine Sensorelement. Die Leiterplatte ist dann zumindest abschnittsweise als Federelement ausgebildet. Dies bedeutet, dass zumindest Abschnitte der Leiterplatte so ausgebildet bzw. geformt sind, dass diese eine federnde Wirkung haben und diese sich bei Einwirken einer Kraft verformen und damit diese Kraft aufnehmen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Leiterplatte auf eine Feder aufgebracht. Bei dieser Ausführungsform kann die Leiterplatte als Folie ausgebildet sein, die wiederum auf die Feder aufgeklebt ist. Auf diese Weise kann ein kompaktes Bauteil erreicht werden.
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Die Leiterplatte kann insbesondere als flexible Leiterplatte (FPC; flexible printed circuit) ausgebildet sein. Dies ist eine gedruckte Schaltung, die auf einem flexiblen Kunststoffträger aufgebracht ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens eines des mindestens einen Sensorelements als Dehnmessstreifen (DMS) ausgebildet ist. Dieser Dehnmessstreifen verformt sich und ändert in Abhängigkeit der Verformung seine elektrischen Eigenschaften, insbesondere seinen elektrischen Widerstand. Dieser kann gemessen werden und so auf das Maß der Verformung, die wiederum von der einwirkenden Kraft abhängt, geschlossen werden.
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Die vorgestellte Anzeigeeinheit weist eine Scheibe, bspw. eine Glasscheibe, auf, auf der die anzuzeigenden Informationen angezeigt werden. An dieser Scheibe ist eine Einheit der hierin beschriebenen Art angeordnet. Dies bedeutet, dass die Scheibe und die Einheit so miteinander verbunden sind, dass sich eine auf die Scheibe ausgeübte Kraft auch auf die Einheit auswirkt, die diese Kraft zumindest zum Teil aufnimmt und es gestattet, diese Kraft zu erfassen.
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Bei der Anzeigeeinheit kann zusätzlich ein Beleuchtungselement vorgesehen sein, das typischerweise hinter der Scheibe, also auf der Seite, die der Seite, die dem Betrachter zugewandt ist, gegenüberliegt, angeordnet ist.
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Das beschriebene Verfahren dient zum Erfassen einer auf eine berührungsempfindliche Anzeige ausgeübten Kraft. Dabei wird eine Einheit der hierin beschriebenen Art verwendet.
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Auf Grundlage der Erfassung der Kraft kann diese bestimmt bzw. gemessen werden. Dies kann in der Einheit, bspw. in der Leiterplatte, erfolgen. Schritte des Verfahrens können aber auch außerhalb der Einheit durchgeführt werden.
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Bei einer Ausführungsform wird mit dem mindestens einen Sensorelement eine elektrische Größe erfasst, die die zu erfassende Kraft repräsentiert. Diese elektrische Größe kann auf einfache Weise erfasst und bestimmt werden. Informationen hierzu können auf vielfältige Weise weiterverarbeitet werden.
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Mit dem vorgestellten Verfahren ist eine präzise Wegauflösung möglich, Anforderung im µm-Bereich können erfüllt werden.
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Die vorgestellte Einheit, die Anzeigeeinheit und das beschriebene Verfahren haben eine Reihe von Vorteilen:
- • Reduzierter Bauraum,
- • Anordnung der Leiterplatte ist derart, dass diese mit den applizierten Dehnmessstreifen auch gleich als Messfeder genutzt wird,
- • Geometrische Kombination zwischen der Kraftmessung und Aktuatoren, die in einer Linie angeordnet sind, Integration von dynamischen Schwingerregern oder Ultraschallvibration, die Reibung zwischen Finger und Glasoberfläche modulieren,
- • Ausführung mit dynamischen Aktuatoren, z. B. Voice Coil usw.,
- • Leiterplatte wie FPC mit applizierten Bauteilen, bspw. Biegebalken bzw. Messfeder, ist gleichzeitig Träger der Auswerteelektronik,
- • mehrere Sensoren können in einem Schritt auf die Leiterplatte aufgebracht, gedruckt oder bestückt werden,
- • „Multi Force Sensing“ (simultane Schätzung mehrerer Fingerkräfte) durch Auswertung der sphärischen Scheiben- bzw. Glasverformung durch Verwendung und Anordnung von mehr als vier Sensoren, eine Identifizierung von mehr als drei Fingern ist möglich,
- • Piezoelemente, wie bspw. Biegewandler, können direkt auf die Leiterplatte aufgebracht werden, diese wird als Kraftsensor und Aktuator in einem verwendet, ein hochintegrales Bauteil wird verwirklicht,
- • Biegebalken/Messfeder ist integraler Bestandteil des Produkts, z. B. Gehäuse, Systemträger, Aufnahme Back-Light Unit, vorhandene Leiterplatte,
- • durch die platzsparende Anordnung bzw. Integration kann die sichtbare Anzeige- bzw. Displayfläche bei einem vorgegebenen Bauraum maximiert werden,
- • Verwendung von Dehnmessstreifen auf Leiterplatte für die Freigabe einer Prozessanalyse von Leiterplatten.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der vorgestellten Einheit.
- 2 zeigt in einer unterbrochenen Seitenansicht eine Ausführungsform der vorgestellten Einheit.
- 3 zeigt in einer perspektischen Ansicht eine Ausführungsform der vorgestellten Einheit.
- 4 zeigt eine Ausführungsform einer Leiterplatte.
- 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorgestellten Einheit.
- 6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der vorgestellten Einheit.
- 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorgestellten Einheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Ausführungsform der vorgestellten Einheit, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese Einheit 10 umfasst eine Leiterplatte 12, auf der ein Stecker 14 und eine Elektronikeinheit 16 angeordnet sind. An der Leiterplatte 12 sind drei Biegebalken 18 angeordnet, auf denen wiederum jeweils ein Dehnmessstreifen 20 vorgesehen ist. Die Biegebalken 18 sind dabei an der Leiterplatte 12 angeformt, insbesondere einstückig mit dieser ausgebildet.
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Freie Enden 22 der Biegebalken 18 sind dafür vorgesehen, mit einer Anzeige verbunden zu werden bzw. an diese angebunden zu sein. Die Biegebalken 18 dienen somit als Federelemente, die sich bei einer Krafteinwirkung auf die Anzeige verformen. Diese Verformung wird durch die Dehnmessstreifen 20 erfasst bzw. aufgenommen. Auf diese Weise kann das Maß der Verformung und damit auch die Höhe der Kraft, die auf die Anzeige einwirkt, aufgenommen bzw. bestimmt werden. Die Auswertung hierfür, d. h. die Zuordnung von Maß der Verformung zu Höhe der Kraft, kann auf der Leiterplatte, bspw. in einer Recheneinheit, die in dem Elektronikeinheit 16 vorgesehen sein kann, oder extern erfolgen. Hierfür erforderliche Daten können über den Stecker 14 ausgelesen oder ausgegeben werden.
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Die Biegebalken 18 zusammen mit den darauf angeordneten Dehmessstreifen 20, die als Sensorelement wirken, ermöglichen eine Erfassung der die Verformung der Biegebalken 18 bewirkenden Kraft und damit der Kraft, die auf die Anzeige einwirkt bzw. ausgeübt wird. Ein Sensorelement ist in diesem Zusammenhang ein Element, welches die Erfassung bzw. Aufnahme einer Größe, in diesem Fall die Verformung, ermöglicht, und einen Wert ausgibt bzw. bereitstellt, in diesem Fall typischerweise eine elektrische Größe, wie bspw. einen ohmschen Widertand, der die Bestimmung der Verformung ermöglicht. Das Sensorelement, in diesem Fall der Dehnmessstreifen 20, stellt somit in Abhängigkeit der Verformung des Dehnmessstreifens und damit in Abhängigkeit der Verformung des zugeordneten Biegebalkens 18 eine Größe, in diesem Fall eine elektrische Größe, bereit, die eine Bestimmung der Verformung ermöglicht. Da diese Verformung in Abhängigkeit der auf die Anzeige, die an die Biegebalken 18 angebunden ist, wirkenden Kraft erfolgt, kann über die bereitgestellte elektrische Größe eine Aussage über die Höhe der eingewirkten bzw. ausgeübten Kraft getroffen werden. Die Kraft kann qualitativ und insbesondere quantitav bestimmt werden.
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Die Biegebalken 18 zusammen mit den Dehnmessstreifen 20 stellen somit sogenannte Messfedern dar, da diese sowohl eine federnde Wirkung haben, d. h. diese nehmen die ausgeübte Kraft auf, als auch eine messende Funktion erfüllen, da diese ein Erfassen und damit Messen der elektrischen Größe und damit ein Messen der Verformung und damit der ausgeübten Kraft ermöglichen.
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2 zeigt in einer unterbrochenen Darstellung eine Einheit, die insgesamt mit der Bezugsziffer 50 versehen ist. Die Darstellung zeigt in einem Schnittbild auf der linken Seite eine Scheibe 52, in diesem Fall eine Glasscheibe, eine Leiterplatte 54, die eine Federwirkung ausübt, und ein Sensorelement 56, in diesem Fall ein Dehnmessstreifen. Auf der rechten Seite in 2 ist somit ein Längsschnitt dargestellt.
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3 zeigt eine Einheit, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Diese Einheit 100 umfasst eine Scheibe 102 aus Glas, drei Federzungen 106 mit darauf angeordneten Sensorelementen 108. Die Sensorelemente 108, die auf Leiterplatten angeordnet sind, dienen als Kraftsensoren und sind bspw. als Dehnmessstreifen ausgebildet. Weiterhin sind Aktoren 110 gezeigt, die zwischen den Federzungen 106 angeordnet sind, sind als Ultraschall-Aktoren ausgebildet.
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4 zeigt eine Ausführung einer Leiterplatte 150, auf der Dehnmessstreifen 152 angebracht sind. Zu beachten ist der geschlitzte Aufbau der Leiterplatte 150. Dies dient der besseren partiellen Deformierbarkeit.
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Wie bereits zuvor ausgeführt wurde, ist bei bekannten Lösungen die Anzeige bzw. das Display oder das vordere Abdeck- bzw. Coverglass mit der Berühr- bzw. Touchfunktion über ein elastisches Element, eine Feder oder einen Schaum an einen Träger oder Gehäuse angebunden. Über ein separates Element, z. B. ein optisches Element, wird die Kraft als Abstandsänderung zwischen dem Coverglas und dem Träger ermittelt.
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Bei der vorgeschlagenen Einheit hingegen bildet die elastische Aufhängung mit den Sensoren eine Einheit. Dazu kann eine Leiterplatte derart gestaltet werden, dass diese mehrere Zungen, bspw. Biegebalken, aufweist, je Sensorposition eine. Auf diese Leiterplatte werden in einem Arbeitsgang die Dehnmessstreifen, im Biegebereich der Zungen aufgedruckt, nämlich vier Dehnmessstreifen pro Zunge für eine Halb- oder Vollbrücke. Eine Bedruckung auf beiden Seiten erhöht die Empfindlichkeit, da bei Biegung die obere Seite gestreckt und die unter gestaucht wird.
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Um die kleinen Signale störungsfrei verarbeiten zu können, kann vorgesehen sein, die zugehörige Auswerteelektronik für die Messbrücken ebenfalls auf dieser Leiterplatte vorzusehen.
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An das freie Ende der Zungen (Biegebalken) ist das Display bzw. Coverglass angebunden.
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Bei einer haptischen Funktion ist die bewegte Masse von Bedeutung, d. h. mit der Trennung der Displaybeleuchtung von dem eigentlichen Display kann die Masse deutlich reduziert werden. Das führt dazu, dass für die Anbindung haptische Anregung und Force Sensing nur der umlaufende Rand zwischen Display und der Bauraumbegrenzung zur Verfügung steht.
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Wie in den Figuren dargestellt, erfolgt die Anbindung der freien Enden der Biegebalken über die Elemente, die für die Aktuatoren benutzt werden, in dem schmalen Bereich zwischen Display und Bauraumbegrenzung. D. h. die Leiterplatte mit den DMS auf den Zungen und der Elektronik kann sich hinter der Beleuchtungseinheit des Displays in der Fläche parallel zum Display ausdehnen.
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Alternativ ist es denkbar, die Widerstände auf eine Folie zu drucken, auf die auch die Elektronik bestückt ist und die Folie wird mit seinen Widerständen auf die Biegebalken geklebt, die durch ein anderes Substrat gebildet werden, bspw. ein zusätzliches Teil, Systemträger oder Gehäuse.
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Bei einem festeren Substrat ist es sogar denkbar, dass die Zungen mit den Widerständen nur an den Federn anliegen, die durch ein anderes Substrat gebildet werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Einheit, die insgesamt mit Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Trägerplatte 202, an deren Enden Sockel 204 ausgebildet sind. Es kann auch ein umlaufender Sockel vorgesehen sein. Auf den Sockeln 204 sind jeweils eine Leiterplatte 206, die mit einer Feder oder als Feder ausgebildet ist, vorgesehen. An der Unterseite der Leiterplatten 206 ist jeweils ein Sensorelement 208 vorgesehen, der bspw. als Dehnmessstreifen ausgebildet ist.
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Auf den Leiterplatten 206 wiederum ist eine Scheibe 210 angeordnet, auf die eine Kraft ausgeübt werden kann, die mit den Sensorelementen 208 aufgenommen wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Einheit ist in 6 dargestellt und insgesamt mit Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Trägerplatte 302, an deren Enden Sockel 304 ausgebildet sind. Es kann auch ein umlaufender Sockel vorgesehen sein. Auf dem Sockel 304 auf der rechten Seite sind eine Leiterplatte 306, die eine Feder umfassen kann bzw. als solche ausgebildet ist, und ein Sensorelement 308, der bspw. als Dehnmessstreifen ausgebildet ist, vorgesehen. Weiterhin ist eine Scheibe 310 vorgesehen, die auf der rechten Seite auf der Leiterplatte 306 und auf der linken Seite auf dem Sockel 304 der Trägerplatte 302 oder einer spiegelbildlichen Anordnung, bestehend aus den Komponenten 306, 304, 308 abgelegt ist
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Noch eine weitere Ausführungsform der beschriebenen Einheit ist in 7 dargestellt und insgesamt mit Bezugsziffer 400 bezeichnet. Die Darstellung zeigt ein Gehäuse 402, das als eine Art Trägerplatte dient, eine Leiterplatte 404 und eine Scheibe 406. Unten an der Leiterplatte 404 sind zwei Dehnungsmessstreifen 408 als Sensorelememente angeordnet. Oben an der Leiterplatte sind zwei Klebebänder 410 oder Distanzhalter vorgesehen, mit denen die Scheibe 406 befestigt wird. Weiterhin zeigt die Darstellung auf der rechten Seite die Anordnung einer Anzeige 412, in diesem Fall einer Flüssigkritallanzeige.
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Werden die Dehnungsmesstreifen 408 unten an der Leiterplatte 404 angebracht, so bewirkt eine Verformung der Leiterplatte 404 durch Krafteinwirkung auf die Scheibe 406 eine Kompression, sind diese oben angebracht, so bewirkt die Verformung eine Dehnung.
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Diese Ausführungsform bringt eine Verringerung der bewegten Masse und eine Unempfindlichkeit gegenüber externen Vibrationen mit sich. Diese ermöglicht eine hohe Empfindlichkeit und eine gute Ortung der einwirkenden Kraft.
