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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Messen von Schwingungen einer Oberfläche. Dabei kann die Messeinrichtung zum Messen von haptischem Feedback verwendet werden, insbesondere zur Quantifizierung haptischer Vibrations- oder Schwingungsmuster bzw. eines Vibrations- oder Schwingungsprofils.
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Anwendung finden solche Messeinrichtungen beispielsweise bei der Messung und Quantifizierung von haptischem Feedback auf Prototypen, intelligenten Oberflächen und digitalen Bildschirmen, vor allem beim Design/Entwerfen von haptischem Feedback.
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Technologischer Hintergrund
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Oberflächen, die Feedback in verschiedenster Form geben, vor allem aber haptisches Feedback geben, treten in den letzten Jahren und Jahrzehnten vermehrt auf und finden verschiedenste Anwendungen, so beispielsweise nicht nur in Mobiltelefonen, vor allem in Smartphones, sondern auch in Oberflächen für Fahrzeuge, für Waschmaschinen und anderen Geräten des täglichen Lebens.
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Haptisches Feedback kann allgemein als Feedback durch eine Vibration (Schwingung) verstanden werden, wobei diese oftmals dem Benutzer ein Drücken und/oder Loslassen der benutzten Oberfläche simulieren soll. Haptisches Feedback kann in aktives und in passives haptisches Feedback unterteilt werden. Da die haptische Vibration von Menschen je nach Vibrationsmuster unterschiedlich wahrgenommen und unterschiedlich verstanden wird, ist es für das Design des haptischen Feedbacks wichtig das Verhalten der Oberfläche in diesem Zusammenhang genau zu kennen bzw. sich des jeweiligen haptischen Feedbacks allgemein oder des konkreten Schwingungsprofils dieses haptischen Feedbacks der Oberfläche bewusst zu werden.
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Um dies zu erreichen, ist es oftmals nicht nur notwendig das Verhalten des einzelnen Bauteils, dass das haptische Feedback erzeugt, zu kennen, sondern auch notwendig das Verhalten dieses Bauteils im Endprodukt zu kennen. In anderen Worten, Messungen des haptischen Feedbacks sind sowohl in der Designphase, beispielsweise im Labor, im Prototyp und im fertigen Produkt notwendig, um ein optimales Ergebnis zu erreichen.
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Dies liegt unter anderem daran, dass das Verhalten auf der Oberfläche nicht dasselbe ist wie das, was am Computer entworfen wird, da die mechanische Struktur des Geräts, auf dem das haptische Feedback erfolgt, sich anders verhält, beispielsweise durch Resonanz. Daher kann das Wissen über das Verhalten des einzelnen Bauteils nicht oder nicht vollständig auf das Gerät übertragen werden und alternative Lösungswege, um das Verhalten der Oberfläche, also beispielsweise das Vibrationsprofil des haptischen Feedbacks, zu bestimmen, werden erforderlich.
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Weiterhin ist das haptische Feedback abhängig von den Details der Auslösung, also beispielsweise der einwirkenden Kraft oder dem Winkel, unter dem die Kraft einwirkt. In anderen Worten, wenn man mit dem menschlichen Finger aus verschiedenen Winkeln oder mit unterschiedlichen Kräften auf ein Gerät drückt, wird die ausgelöste Vibration unterschiedlich wahrgenommen.
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Messeinrichtung bereitzustellen, die sowohl für eine Vielzahl verschiedener Stationen im Entwicklungszyklus einer Geräteoberfläche verwendet werden kann als auch eine flexible Art und Weise der Messung ermöglicht.
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Weiterer Stand der Technik zu verschiedenen manuell zu bedienenden Mesgeräten findet sich in:
- JP S60- 181 640 U ,
- JP S62- 102 129 U ,
- JP S58- 178 642 U ,
- JP S60- 183 832 U ,
- DE 43 41 522 A1 ,
- JP H01- 128 131 U ,
- JP H01- 146 764 U , und
- JP S63- 153 140 U.
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Zusammenfassung
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Die genannten Probleme und Aufgabenstellungen werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Messeinrichtung zum Messen von Schwingungen einer Oberfläche vorgesehen, die Messeinrichtung aufweisend: eine Sensorbaugruppe, wobei die Sensorbaugruppe einen Beschleunigungssensor und eine Kontaktfläche aufweist, wobei die Kontaktfläche mit der Oberfläche in Eingriff bringbar ist; wobei die Kontaktfläche mit dem Beschleunigungssensor in Kontakt steht und die Schwingungen der Oberfläche an den Beschleunigungssensor leitet; eine Federbaugruppe mit einer Feder, wobei ein erstes Ende der Feder an einem ersten Federteller anliegt und ein zweites Ende der Feder an einem zweiten Federteller anliegt; und der Abstand zwischen dem ersten Federteller und dem zweiten Federteller einstellbar ist; wobei ein Schaft mit der Sensorbaugruppe fest verbunden ist und der Schaft eine auf die Feder ausgeübte Kraft an die Sensorbaugruppe übertragen kann; wobei die Sensorbaugruppe in einem vorbestimmten Bereich einen, durch die auf die Feder ausgeübte Kraft bestimmten Abstand von der Federbaugruppe aufweist; wobei der erste Federteller über ein Gewinde mit einem Stab in Kontakt steht; wobei an dem Stab ein Drehknopf befestigt ist, dessen Benutzung den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Federteller einstellt; und wobei der Drehknopf eine Schlaufe zur Benutzung der Messeinrichtung aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung der Messeinrichtung gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, die folgenden Schritte umfassend: Aufbringen der Kontaktfläche auf eine Oberfläche, Anpressen der Messeinrichtung auf die Oberfläche, Halten der Messeinrichtung und Aufzeichnen von Schwingungen der Oberfläche in dem Beschleunigungssensormittels der Schlaufe.
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Figurenliste
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden insbesondere im Zusammenhang der folgenden Figuren erklärt und verdeutlicht. Dabei soll sich der Schutzumfang nicht auf diese Ausführungsform beschränken und die Figuren und die dazugehörige Beschreibung dienen demnach nur zur Verdeutlichung der allgemeinen Erfindungsgedanken. In den beigefügten Figuren zeigt/zeigen
- die 1A bis 1D eine schematische Schnittansicht einer Messeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine Draufsicht dieser Ausführungsform sowie schematische Außenansichten von Messeinrichtungen gemäß entsprechender Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
- die 2A und 2B schematische Ansichten von Messeinrichtungen in verschiedenen Vorspannungspositionen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
- die 3A bis 3C schematische Ansichten von Messeinrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während einer Verwendung.
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Detaillierte Beschreibung
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1A zeigt eine schematische Schnittansicht einer Messeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der in 1A gezeigte Querschnitt entlang der Achse A-A der in 1B gezeigten Draufsicht verläuft, die wiederum einer Draufsicht der in den 1C und 1D gezeigten schematischen Ansichten verschiedener Ausführungsformen entspricht.
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1A zeigt eine Messeinrichtung 1 zum Messen von Schwingungen einer Oberfläche. Die Messeinrichtung 1 weist eine Sensorbaugruppe 10 und eine Federbaugruppe 20 auf.
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Die Sensorbaugruppe weist einen Beschleunigungssensor 11 und eine Kontaktfläche 12 auf, wobei die Kontaktfläche 12 mit der Oberfläche in Eingriff bringbar ist und weiterhin mit dem Beschleunigungssensor 11 in Kontakt steht und die Schwingungen der Oberfläche an den Beschleunigungssensor 11 leitet.
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Für den Beschleunigungssensor 11 sind im Grunde jegliche Sensoren geeignet, die von der Kontaktfläche 12 an den Sensor geleiteten Schwingungen aufzeichnen können. Beispiele für solche Sensoren können unter anderem piezoelektrische Beschleunigungssensoren oder MEMS (Micro-Electro-Mechanical System, auch: mikro-elektro-mechanisches System) sein, aber auch Sensoren, die sich das Konzept der magnetischen Induktion zu eigen machen.
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Die vom Beschleunigungssensor 11 aufgezeichneten Daten können an eine externe Verarbeitungseinheit übertragen werden. Diese Übertragung kann auf verschiedene Arten realisiert werden, die sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Arten umfassen. Beispielsweise können die Daten über eine USB-Verbindung (als Beispiel einer drahtgebundenen Übertragung) oder über ein Wireless-Netzwerk oder eine Bluetooth-Verbindung (als Beispiele einer drahtlosen Verbindung) übertragen werden. Zudem kann spezielle Software zur Auswertung der gemessenen Daten vorgesehen sein.
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Die Federbaugruppe 20 weist eine Feder 21 auf, wobei ein erstes Ende der Feder 21 an einem ersten Federteller 211 anliegt und ein zweites Ende der Feder 21 an einem zweiten Federteller 212 anliegt und der Abstand zwischen dem ersten Federteller 211 und dem zweiten Federteller 212 einstellbar ist.
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An die Feder 21 werden keine besonderen Bedingungen gestellt, sie kann allerdings eine im Wesentlichen lineare Kennlinie aufweisen. Dies erleichtert die Kalibrierung der Kraft (auch: Vorspannung der Feder 21), die dem einstellbaren Abstand zwischen dem ersten Federteller 211 und dem zweiten Federteller 212 entspricht.
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Weiterhin weist die Federbaugruppe 20 einen Schaft 22 auf, der fest mit der Sensorbaugruppe 20 verbunden ist und eine auf die Feder 21 ausgeübte Kraft an die Sensorbaugruppe 20 übertragen kann.
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Zudem weist die Sensorbaugruppe 10 in einem vorbestimmten Bereich einen, durch die auf die Feder 21 ausgeübte Kraft bestimmten Abstand von der Federbaugruppe 20 auf.
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Die Messeinrichtung 1 kann daher also eine tragbare Einrichtung, die ein mechanisches System zur Kontrolle und Messung der Kraft verwendet, die auf eine bestimmte Oberfläche ausgeübt wird, um deren Vibrationsprofil zu ermitteln, verstanden werden.
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Weiterhin kann der erste Federteller 211 über ein Gewinde mit einem Stab 23 in Kontakt stehen und an dem Stab 23 kann ein Drehknopf 24 befestigt sein, dessen Benutzung den Abstand zwischen dem ersten Federteller 211 und dem zweiten Federteller 212 einstellt. In diesem Fall kann der erste Federteller 211 beispielsweise durch eine Kontermutter realisiert werden. Weiterhin kann der zweite Federteller 212 durch eine Spindel oder ein Dorn realisiert werden.
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Durch diese Konfiguration kann das Einstellen des Abstands zwischen dem ersten Federteller 211 und dem zweiten Federteller 212 vereinfacht werden, da die einfache Betätigung des Drehknopfs 24 dies ermöglicht. Dieser Abstand bestimmt die Vorspannung der Feder 21, welche wiederum die minimale Kraft bestimmt, die notwendig ist, um eine Kraft auf die Kontaktfläche 12 bzw. auf die mit der Kontaktfläche in Eingriff stehende Oberfläche zu bringen.
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Weiterhin kann der Drehknopf 24 eine Schlaufe 25 zur Benutzung der Messeinrichtung 1 aufweisen. Dies ermöglicht nicht nur eine einfachere Benutzung der Messeinrichtung 1, sondern ermöglicht auch, dass eine Benutzung lediglich durch diese Schlaufe 25, beispielsweise durch nur einen Finger, erfolgt. Dadurch ist ein Umgreifen der Messeinrichtung 1 durch die gesamte Hand nicht erforderlich, wodurch externe Einflüsse auf das Messergebnis durch solches Umgreifen, wie beispielsweise eine Dämpfung, reduziert oder ganz verhindert werden können.
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Die Form der Kontaktfläche 12 ist nicht besonders beschränkt. Insbesondere kann sie eine Kuppelform, eine Zylinderform oder eine Quaderform haben. Diese verschiedenen Formen ermöglichen es verschiedene Situationen und Anwendungsszenarios der Oberfläche zu testen. Dies ermöglicht es auch, die Messeinrichtung 1 auf verschiedenen Oberflächen zu verwenden und gleichzeitig kapazitive Berührungsfunktionen für digitale Bildschirme und ähnliche Geräte bereitzustellen.
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Zudem kann die Sensorbaugruppe 10 eine Sicherungsschraube 13 aufweisen, um die Sensorbaugruppe 10 mit dem Schaft 22 zu arretieren.
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Die Messeinrichtung 1 ermöglicht damit, das menschliche Verhalten eines Drucks auf eine beliebige Oberfläche zu imitieren und die Reaktion der Oberfläche darauf quantifizierbar zu machen. In anderen Worten, die Messeinrichtung 1 ist in der Lage, die zur Aktivierung und Auslösung der Vibration erforderliche Kraft zu skizzieren und gleichzeitig das Vibrationsprofil der betreffenden Oberfläche zu messen. Dies wird auch durch die unterschiedlichen Formen und die Touch-Funktionalität der Messeinrichtung 1 erreicht.
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Da die Messeinrichtung 1 derart gestaltet ist, dass sie in der Hand gehalten werden kann, ist ihr Einsatzgebiet nahezu unbegrenzt. Insbesondere kann sie in allen Phasen der Entwicklung eingesetzt werden, insbesondere in der Designphase in einem Labor, aber auch an Prototypen und fertigen Produkten eingesetzt werden.
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Damit in Verbindung stehend hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass quantifizierbare Messungen zur Verfügung stehen, die zur Verbesserung von Designlösungen für den Endverbraucher beitragen können und damit unter anderem die Arbeit von Haptikdesignern verbessern können.
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Weiterhin kann die Kontaktfläche 12 austauschbar sein, was die Flexibilität der Messeinrichtung 1 weiter erhöht.
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1B zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform entsprechend der 1A und zeigt über die Achse A-A weiterhin die Relation des in 1A gezeigten Querschnitts der Messeinrichtung 1 zur Draufsicht auf die Messeinrichtung 1 und stellt damit auch eine Verbindung zwischen der in 1A gezeigten Messeinrichtung 1 und den jeweils in 1C und 1D gezeigten Messeinrichtungen 1 her.
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Die 1C und 1D zeigen schematischen Außenansichten von Messeinrichtungen 1 gemäß entsprechender Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Als Außenansichten zeigen die 1C und 1D nicht alle Elemente der Messeinrichtung 1, sondern lediglich solche, die typischerweise von außen sichtbar sind.
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Insbesondere zeigen die 1C und 1D jeweils eine Messeinrichtung 1 mit einer Sensorbaugruppe 10 und einer Federbaugruppe 20. Weiterhin zeigen die 1C und 1D die Kontaktfläche 12 der Sensorbaugruppe 10. Zudem zeigen die 1C und 1D den Schaft 22 der Federbaugruppe 20 bzw. den Teil des Schafts 22, der nicht durch die Sensorbaugruppe 10 oder die Federbaugruppe 20 abgedeckt ist. Zudem sind der Drehknopf 24 sowie die Schlaufe 25 als auch jeweils eine Skalenanzeige 26, die die Federbaugruppe 20 aufweisen kann, sichtbar. Diese Skalenanzeige 26 zeigt eine durch den Abstand zwischen dem ersten Federteller und dem zweiten Federteller bestimmte Vorspannung der Feder an.
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Die in den 1C und 1D gezeigten Messeinrichtungen 1 unterscheiden sich durch ihre Skalenanzeigen 26. Während 1C eine Messeinrichtung 1 mit einer transparenten Millimeterskala, die einen direkten Blick auf die Feder ermöglicht, als Skalenanzeige 26 zeigt, zeigt 1D eine Messeinrichtung 1 mit einem Schieber als Skalenanzeige 26. Die Funktionalität der Messeinrichtung 1 bleibt von dieser Differenz in der Ausgestaltung der Skalenanzeige 26 unberührt.
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Zusätzlich kann die Messeinrichtung 1 über entsprechende Gehäuse verfügen, d.h. sowohl die Sensorbaugruppe 10 als auch die Federbaugruppe 20 kann jeweils in einem Gehäuse untergebracht werden. Diese Gehäuse können aus verschiedenen Materialen bestehen, insbesondere können sie aus Plastik bestehen.
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Zudem kann die Messeinrichtung 1 über Elemente verfügen, die das Befestigen bzw. Lösen der Baugruppen ermöglicht, wie beispielsweise das in 1C und 1D gezeigte Loch unterhalb der Skalenanzeige 26.
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Die 2A und 2B zeigen schematische Ansichten von Messeinrichtungen 1 in verschiedenen Vorspannungspositionen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ansichten entsprechend zumindest in ihren für die diesen Figuren dargestellten Aspekten den Messeinrichtungen 1 der 1A bis 1D.
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2A zeigt eine Messeinrichtung 1 in einer Position minimaler Vorspannung, was durch die Position des Schiebers an dem oberen Ende der Skalenanzeige 26 zu erkennen ist.
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Im Gegensatz dazu zeigt 2B eine Messeinrichtung 1 in einer Position mittlerer Vorspannung, was wiederum an der Position des Schiebers in der Mitte der Skalenanzeige 26 zu erkennen ist als auch daran der Teil der hier sichtbaren Feder 21 unterhalb des Schiebers gegenüber dem oberen Teil der Feder 21 und gegenüber der in 2A gezeigten Feder 21 zusammengedrückt ist.
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Die 3A bis 3C zeigen schematische Ansichten von Messeinrichtungen 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während einer Verwendung.
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Die Verwendung einer Messeinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest: das Aufbringen der Kontaktfläche 12 auf einer Oberfläche, das Anpressen der Messeinrichtung 1 auf die Oberfläche, das Halten der Messeinrichtung 1 und das Aufzeichnen von Schwingungen der Oberfläche in dem Beschleunigungssensor 11, wobei das Halten vorzugsweise mittels der Schlaufe 25 erfolgt. Das Nutzen der Schlaufe ermöglicht, wie oben beschrieben, Einflüsse der haltenden Hand auf die Messergebnisse zu reduzieren oder gänzlich zu verhindern.
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Weiterhin kann die Verwendung der Messeinrichtung 1 auch das Einstellen des Abstands zwischen dem ersten Federteller 211 und dem zweiten Federteller 212 umfassen. Dieses erfolgt vorzugsweise über den Schaft 22, weitervorzugsweise über den Drehknopf 24. Dadurch kann die minimale Kraft, die notwendig ist eine Kraft an die Oberfläche zu übertragen, bestimmt werden, wie auch weiter oben bereits diskutiert.
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Zudem kann der Schritt des Anpressens der Messeinrichtung 1 derart ausgestaltet sein, dass stets ein Abstand zwischen der Sensorbaugruppe 10 und der Federbaugruppe 20 besteht. Dies hat den Hintergrund, dass ein Zustand, in dem dieser Abstand nicht mehr besteht, also gleich null ist, d.h. dass sich de Sensorbaugruppe 10 und die Federbaugruppe 20 berühren, die Möglichkeit der Sensorbaugruppe 10 die Schwingungen der Oberfläche akkurat an den Beschleunigungssensor 11 weiterzuleiten begrenzt.
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Details dieser Verwendung werden im Folgenden mit Bezug auf die erwähnten 3A bis 3C beschrieben.
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3A zeigt eine Messeinrichtung 1, die eine Oberfläche berührt, wobei die Messeinrichtung 1 in einem Zustand mittlerer Vorspannung ist, d.h. die Feder 21 der Messeinrichtung 1 ist in einem Zustand mittlerer Vorspannung. Weiterhin hat sich die Messeinrichtung 1 gegenüber einem Ruhezustand nur minimal entlang der Achse des Schafts 22 bewegt. Ein Ruhezustand kann hier einem Zustand entsprechen, in dem die Messeinrichtung 1 keinerlei Kraft auf eine Oberfläche ausübt, d.h. beispielsweise in Ruhe liegt. Dieser in 3A gezeigte Zustand kann auch als Vormessungszustand beschrieben werden.
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3B zeigt eine Messeinrichtung 1, die eine Oberfläche berührt, wobei die Messeinrichtung 1 in einem Zustand mittlerer Vorspannung ist und sich die Messeinrichtung 1 gegenüber einem Ruhezustand um einen mittleren Betrag entlang der Achse des Schafts 22 bewegt hat. Ein mittlerer Betrag kann hier bedeuten, dass sich Abstand zwischen Sensorbaugruppe 10 und Federbaugruppe 20 gegenüber dem Abstand in dem Ruhezustand in etwa halbiert hat oder genau halbiert hat. Ein solcher in 3B gezeigter Zustand kann als Messzustand beschrieben werden.
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3C zeigt eine Messeinrichtung 1, die eine Oberfläche berührt, wobei die Messeinrichtung 1 in einem Zustand mittlerer Vorspannung ist und sich die Messeinrichtung 1 gegenüber einem Ruhezustand um einen maximalen Betrag entlang der Achse des Schafts 22 bewegt hat. Ein maximaler Betrag bedeutet hier, dass sich die Sensorbaugruppe 10 und die Federbaugrupp 20 berühren; dadurch befindet sich dieser Zustand außerhalb des Messbereichs. Dieser in 3C gezeigte Zustand kann als Zustand des Überdrucks beschrieben werden.
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Es sei der Vollständigkeit halber angemerkt, dass die in 3A bis 3C gezeigte Verwendung, in der die Kontaktfläche 12 plan auf der Oberfläche anliegt, nicht als einschränkend zu verstehen ist. Wie bereits oben diskutiert, ist die Verwendung der Messeinrichtung 1 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt, sondern der Winkel zwischen Kontaktfläche 11 und der Oberfläche ist nicht begrenzt auf 90° oder auf einen bestimmten Winkel generell. In der Tat liegt einer der Vorteile der Messeinrichtung 1 und ihrer Verwendung darin, dass eine Messung unter beliebigen Winkel durchgeführt werden kann.
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Obwohl nun detaillierte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, sollten diese lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Wirkungen dienen. Der Schutzumfang ist durch die folgenden Patentansprüche definiert und soll nicht durch die detaillierte Beschreibung eingeschränkt werden.
