DE19605041C2 - Anordnung zur Erleichterung des Auflaufens einer rollenden Kugel auf eine aus der Rollbahnebene stufenförmig herausragenden Fläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erleichterung des Auflaufens einer rollenden Kugel auf eine aus der Rollbahne­ bene stufenförmig herausragenden Fläche.

Beispielsweise in kapazitiven Lage- und Beschleunigungssen­ soren (Neigungssensoren) sind Kugeln vorhanden, die nei­ gungs- oder beschleunigungsbedingt, also unter der Wirkung von Schwerkraft oder Trägheitskraft, auf einer Leiterplatte zu rollen vermögen, auf welcher elektrisch leitende Leiter­ flächen vorhanden sind, die geringfügig aus dem Oberflächen­ niveau der Leiterplatte herausragen.

Angesichts der geringen Abmessungen solcher Sensoren und da­ mit der rollenden Kugeln stellen diese kleinen stufenförmi­ gen Erhöhungen eine beachtliche Hürde für die rollenden Ku­ geln dar. Die Kugeln, die bei geringer Neigung der Leiter­ platte nur durch eine kleine Schwerkraftskomponente ange­ trieben werden, können am Rand der Leiterfläche zum Stehen kommen, da ihre kinetische Energie und die antreibende Schwerkraftskomponente nicht ausreichen, die stufenförmige Hürde zu überwinden.

Die denkbare Möglichkeit, die Leiterflächen an ihrem Rand abzuschrägen oder sie bündig in der Trägerplatte zu versen­ ken, ist kein zweckmäßiger Lösungsweg, da eine solche Maß­ nahme aufwendig und nicht mit der üblichen Prozeßtechnik bei der Herstellung von Leiterplatten kompatibel wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem System der vorgenannten Art ein leichteres Auflaufen der Kugel auf das stufenförmig höher gelegene Niveau einer aus der Roll­ bahnebene (Leiterplatte, Trägerplatte) herausragenden Fläche zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfin­ dungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ge­ nannten Merkmale hat.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen genannt.

Gemäß der Erfindung kann die rollende Kugel in einem Auf­ lauftrichter seitlich aufsetzen und so über eine gewisse Wegstrecke verteilt auf das Niveau der herausragenden Fläche rollen. Die Stufe braucht nicht mehr schlagartig überwunden zu werden, so daß einerseits eine kleinere Antriebskraft zum Erklimmen des höheren Niveaus ausreicht und andererseits ein kinetische Energie verzehrendes Anschlagen der Kugel an die senkrechte Stufenflanke vermieden wird.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind kapa­ zitive Lage- und/oder Beschleunigungssensoren, insbesondere solche, die in Haushaltskleingeräten, wie zum Beispiel Bü­ geleisen, eingesetzt werden.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer aus dem Ni­ veau einer Leiterplatte herausragenden Leiterfläche mit Auflauftrichtern gemäß der Erfindung,

Fig. 2 im Schnitt längs der Linie A-A einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer aufgesetzten Kugel,

Fig. 3 den Neigungswinkel α bei Anlage einer Kugel an einer stufenförmig aus der Rollbahnebene herausragenden Fläche,

Fig. 4 einen Auflauftrichter mit seinen bestimmenden Para­ metern,

Fig. 5 die Ausgestaltung der Auflauftrichter bei schmalen aus der Rollbahnebene herausragenden Flächen.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte 1 mit einer Leiterfläche 2, die aus dem Niveau der Leiterplatte stufenförmig (rechtwinklig) herausragt. Die Ränder 21 der Leiterfläche sind gemäß der Erfindung mit Auflauftrichtern 3 versehen, deren Öffnungen am Rand der Leiterfläche liegen. Beim Anrollen der Kugel 5 gegen den Rand der Leiterfläche wird die Kugel von einem der Auflauftrichter eingefangen und setzt auf die Ränder (Flanken) des Auflauftrichters auf, längs derer sie das höhergelegene Niveau erklimmt.

Die günstigste Öffnungsbreite b des Auflauftrichters ist diejenige, bei der die Kugel die herausragenden Flanken des Auflauftrichters beim Einlaufen gerade berührt, aber nicht angehoben werden würde, wenn sich der Trichter nach Innen nicht verengen würde. Diese günstigste Öffnungsbreite b hängt vom Radius r der Kugel und der Höhe d der Stufe der herausragenden Leiterfläche ab und ergibt sich aus der For­ mel

Wenn die Kugel bei fehlenden Auflauftrichtern senkrecht ge­ gen die Stufe der herausragenden Fläche läuft, dann muß sie schlagartig den sogenannten Neigungswinkel α überwinden (siehe Fig. 3). Der Neigungswinkel α ist der Winkel, den die steilste Tangente t im Berührungspunkt p zwischen Kugel und herausragender Fläche (Leiterfläche) mit der Rollbahne­ bene 1 (Leiterplatte) bildet. Er errechnet sich zu

Wenn dagegen beim Vorhandensein eines Auflauftrichters die Kugel schräg im Verhältnis zur Kante der herausragenden Leiterfläche rollt, dann kann sie auf einer stetig steigen­ den Bahn über eine gewisse Wegstrecke verteilt die Leiter­ fläche erklimmen. Der sogenannte Hangwinkel β ist um so fla­ cher, je schräger die Kugel im Verhältnis zur Kante der Lei­ terfläche rollt. Der Hangwinkel β ist der Winkel, den dieje­ nige Tangente t im Berührungspunkt p zwischen Kugel 5 und Leiterfläche 2 mit der Rollbahnebene 1 bildet, die in der­ selben vertikalen Ebene wie die Rollrichtung der Kugel liegt. An Hand von Fig. 3 ist leicht einzusehen, daß die Tangente t um so flacher verläuft, je schräger die Kugel im Verhältnis zur Kante der herausragenden Leiterflächenkante 2a rollt.

Die Flanken f des Auflauftrichters können auch geradlinig ausgebildet sein. Durch den sich verengenden Trichter wird die Kugel jedoch an den seitlichen Berührungspunkten angeho­ ben, wodurch sich der Neigungswinkel α und entsprechend der Hangwinkel β verkleinern (Fig. 3). Das bedeutet, daß bei geraden Flanken die Bahn, auf der die Kugel die Leiterfläche erklimmt, zuerst relativ steil ist und dann flacher wird. Indem man die Steigung m der Flanken f der Trichter, wie Fig. 4 zeigt, mit zunehmender Koordinate y vergrößert, kann erreicht werden, daß die Rollbahn zum Erklimmen der Leiter­ fläche eine konstante Steigung (konstanter Hangwinkel) hat.

Falls die herausragende Fläche nicht genügend breit ist, um die Auflauftrichter mit einer gewünschten Tiefe aufnehmen zu können, ist es in gewissen Anwendungsfällen, wie beispiels­ weise bei kapazitiven Sensoren, auch möglich, die Auflauf­ trichter der beiden gegenüberliegenden Seiten der herausra­ genden Fläche einander überlappend anzuordnen, wie dies Fig. 5 zeigt. Der so entstehende Schlitz 4 hat die Gestalt zweier sich an ihren engen Innenseiten überlappender Auf­ lauftrichter 3a, 3b der oben beschriebenen Art. Die Kugel er­ reicht dann nicht vollständig das Niveau der herausragenden Fläche. Wegen der geringeren Flächenüberdeckung zwischen Ku­ gel und Leiterfläche sind bei einem kapazitiven Sensor die erwünschten Änderungen von Kapazitätswerten dann geringer. Hierdurch wird zwar die Empfindlichkeit der Sensoren vermin­ dert, nicht aber ihre grundsätzliche Wirkungsweise.

Eine weitere Möglichkeit der Unterbringung der Auflauftrich­ ter bei schmalen herausragenden Flächen besteht darin, die Reihe der an einer Seite der herausragenden Fläche vorhandenen Auflauftrichter um die Hälfte ihrer seitlichen Teilung parallel zu der Reihe der an der gegenüberliegenden Seite vorhandenen Reihe von Auflauftrichtern zu verschieben. Durch 7 die gegenseitige Versetzung der Auflauftrichter beider Sei­ ten können die Auflauftrichter etwas tiefer sein, bevor sie gemäß Fig. 5 einander überlappen.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft die Koordi­ nate y der Auflauftrichter senkrecht zum Rand 21 der heraus­ ragenden Fläche. Es versteht sich, daß die Koordinate y auch schräg zum Rand 21 verlaufen kann.

Claims (8)

1. Anordnung zur Erleichterung des Auflaufens einer rollen­ den Kugel (5) auf eine aus der Rollbahnebene (1) stufig her­ ausragende Fläche (2), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die herausragende Fläche (2) an einem oder mehreren ihrer Ränder mit Auflauftrichtern (3) versehen ist, deren Eintrittsbreite (b) der Kugelgröße (r) angepaßt ist und die sich vom Rand (21) der herausragenden Fläche (2) zum inneren Bereich der herausragenden Fläche hin verjüngen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnungsbreite (b) der Auflauftrichter (3) sich aus der Formel
b = 2 √2rd - d²
ergibt, wobei r der Radius der Kugel und d die Höhe der Stufe (2a) am Rand der herausragenden Fläche (2) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flanken (f) der Auflauf­ trichter (3) geradlinig und/oder gekrümmt verlaufen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Krümmung der Flanken (f) der Auflauftrichter (3) so gewählt wird, daß sich die Steigung (m) der Flanken (f) der Auflauftrichter mit zunehmender Ko­ ordinate (y) derart vergrößert, daß die Rollbahn zum Er­ klimmen der Leiterfläche eine konstante Steigung (konstanter Hangwinkel) hat.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Auflauftrichter (3a, 3b) an gegenüberliegenden Rändern (21) der herausragenden Fläche (2) mit ihren Innenbereichen ein­ ander überlappen.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ lauftrichter (3) an gegenüberliegenden Rändern (21) der herausragenden Fläche (2) in seitlicher Richtung (x-Rich­ tung) um vorzugsweise eine halbe Teilung der Auflauftrichter gegeneinder versetzt sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Rollbahnebene (1) um eine isolierende Leiterplatte und bei den herausragenden Flächen (2) um elektrisch leitende Flächen auf der Leiterplatte handelt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in kapazitiven Lage- und/oder Be­ schleunigungssensoren, insbesondere in solchen, die in Haus­ haltskleingeräten, wie zum Beispiel Bügeleisen, verwendet werden.