Beschreibung
Kippsensor
Die Erfindung betrifft einen Kippsensor und eine Kippsensor- Anordnung .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102006016523.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
In der Offenlegungsschrift US 2003/0057361 Al ist ein Kippschalter beschrieben, der eine Kugel und einen optoelektronischen Sensor mit Licht emittierenden und empfangenden Einheiten aufweist. Der Sensor und die Kugel sind in einem isolierenden Gehäuse angeordnet.
Aus dem Abstract JP 11351845 A ist ein Kippsensor bekannt, der ein Gehäuse aufweist, in dem eine Metallkugel, ein Licht emittierendes Element und mehrere dem Licht emittierenden Element zugeordnete Licht empfangende Elemente angeordnet sind. Das Gehäuse ist vielkantig ausgebildet, um eine Detektion in vier Messrichtungen zu ermöglichen.
In der Offenlegungsschrift DE 102 61 961 Al ist ein Neigungssensor beschrieben, der eine Bahn aus einem Spritzguss-Polymerkunststoff und ein entlang der Bahn bewegliches Element aufweist. Die Stellung des beweglichen Elements entlang der Bahn kann durch eine Elektrodenstruktur entweder kapazitiv oder galvanisch bestimmt werden.
Aus der Offenlegungsschrift WO 2004/020943 Al ist ein Kippsensor bekannt, der einen Körper, einen Hohlraum im
Körper und ein im Hohlraum positionierbares Element aufweist. Das Element kann sich unter dem Einfluss der Schwerkraft zwischen mindestens zwei Position im Hohlraum bewegen, wenn der Körper um eine Achse rotiert wird. Ferner umfasst der Kippsensor im Körper einen Detektor, der detektiert, wenn das Element bei einer der beiden Positionen ist. Der Körper ist aus Schichten hergestellt, die aufeinander gestapelt sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kippsensor anzugeben, der einen kompakten Aufbau aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen Kippsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Kippsensor-Anordnung anzugeben, mittels welcher eine bessere Lagebestimmung als mit einem einzigen Kippsensor möglich ist. Diese Aufgabe wird durch eine Kippsensor-Anordnung gemäß Patentanspruch 31 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Kippsensors und der Kippsensor-Anordnung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Ein erfindungsgemäßer Kippsensor ist oberflächenmontierbar und umfasst mindestens einen Körper, der auf einer vorgegebenen Fläche entlang einer vorgegebenen Bahn bewegbar ist, und ferner eine optoelektronische Einheit zur Positionsbestimmung des Körpers.
Vorliegend ist unter einer vorgegebenen Bahn kein physischer Bestandteil zu verstehen, sondern die Projektion einer Trajektorie, entlang welcher sich ein Masseschwerpunkt des Körpers bewegt, in Richtung einer Flächennormale auf die vorgegebene Fläche. Die vorgegebene Fläche wirkt der
Schwerkraft des Körpers entgegen. Die Bahn ist durch eine Führung des Körpers vorgegeben, d.h. die Bewegung des Körpers unterliegt Zwangsbedingungen.
Die optoelektronische Einheit umfasst vorliegend mindestens eine Strahlungsemittierende Einheit und mindestens eine strahlungsempfangende Detektoreinheit. Weiterhin umfasst die optoelektronische Einheit vorzugsweise eine Schaltungseinheit .
Ein oberflächenmontierbarer Kippsensor kann auch als SMD (Surface Mounted Devices) -Kippsensor bezeichnet werden. Darunter ist ein Kippsensor zu verstehen, der auf einer Leiterplatte oder auf einem sonstigen Substrat drahtlos elektrisch anschließbar ist. Diese Art der Montage ermöglicht eine einfache elektrische Kontaktierung und gleichzeitig eine einfache Befestigung des Kippsensors .
Gemäß einer bevorzugten Variante ist der Kippsensor derart um eine Kippachse rotierbar, dass sich der Körper von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt. Somit kann die Rotation des Kippsensors in eine Bewegung des bewegbaren Körpers umgesetzt werden, wobei die Positionsänderung des Körpers mittels der optoelektronischen Einheit festgestellt werden kann. Bei einer Verwendung des Kippsensors in einem Gerät kann dadurch vorteilhafterweise eine Lageänderung des Geräts angezeigt werden. Die erste Position kann dabei einer vertikalen Ausrichtung einer Längsachse des Geräts und die zweite Position einer horizontalen Ausrichtung der Längsachse des Geräts entsprechen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante ist der Strahlengang einer Lichtschranke, die mittels der
Strahlungsemittierenden Einheit und der Strahlungsempfangenden Detektoreinheit gebildet ist, geschlossen, wenn sich der Körper bei der ersten Position befindet.
Der mittels der Strahlungsemittierenden Einheit und der Strahlungsempfangenden Detektoreinheit erzeugte Strahlengang ist vorzugsweise unterbrochen, wenn sich der Körper bei der zweiten Position befindet. Der Körper ist im Wesentlichen undurchlässig für Strahlung, die von der strahlungsemittierenden Einheit emittiert und von der Detektoreinheit detektiert wird.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt ist. Vielmehr kann der Strahlengang auch unterbrochen sein, wenn sich der Körper bei der ersten Position befindet und folglich geschlossen sein, wenn sich der Körper bei der zweiten Position befindet.
Vorteilhafterweise kann erfindungsgemäß eine optoelektronische Einheit ausreichen, um zwei unterschiedliche Positionen des Körpers zu bestimmen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass sich der Körper nach einer Rotation des Kippsensors um einen Kippwinkel α = 90 s bei der zweiten Position befindet. In diesem Fall kann mittels des Kippsensors eine Rotation um α = 90s bestimmt werden. Bei einer Verwendung des Kippsensors für ein mobiles Gerät, insbesondere eine Kamera, ist dadurch vorteilhafterweise eine Unterscheidung zwischen einem Portrait-Modus und einem Panorama-Modus möglich. Der Portrait-Modus kann einer vertikalen Ausrichtung der Längsachse des Geräts und der Panorama-Modus einer
horizontalen Ausrichtung der Längsachse des Geräts entsprechen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bewirkt die Schwerkraft eine Bewegung des Körpers entlang der vorgegebenen Bahn. Beispielsweise kann sich der Körper bei einer Rotation des Kippsensors im Schwerefeld von der ersten Position zur zweiten Position bewegen. Der erfindungsgemäße Kippsensor beruht somit auf einem vorteilhaft einfachen Funktionsprinzip .
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist der Kippsensor einen Gehäusekörper auf . In einer Vertiefung des Gehäusekörpers kann der Körper angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Vertiefung kanalartig ausgebildet. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass mittels der Vertiefung eine Führung des Körpers möglich ist. Demgemäß kann die Bahn des Körpers mittels der Form der Vertiefung vorgegeben sein.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der Gehäusekörper innerhalb der Vertiefung mindestens einen Vorsprung oder eine Einkerbung auf .
Insbesondere ist der Vorsprung oder die Einkerbung auf einer Innenfläche des Gehäusekörpers angeordnet, welche die Vertiefung begrenzt. Dies stellt für eine Bewegung des Körpers kein Hindernis dar, denn der Vorsprung oder die Einkerbung erstreckt sich beispielsweise längs der Bewegungsrichtung des Körpers .
Der Vorsprung oder die Einkerbung ist besonders bevorzugt derart ausgebildet, dass eine Kontaktfläche zwischen dem Körper und der Innenfläche verringert ist. Dadurch kann die
Haftreibung vorteilhaft reduziert werden, so dass sich der Körper bei einer Rotation relativ ungehindert in Bewegung setzen kann.
Beispielsweise kann sich der Vorsprung dachförmig auf der Innenfläche erstrecken. Die Einkerbung kann insbesondere rinnenförmig ausgebildet sein. Der Vorsprung oder die Einkerbung weist bevorzugter Weise eine gekrümmte Oberfläche auf. Die Gestalt der Oberfläche kann im Querschnitt zum Beispiel einem Dreieck oder einem Halbkreis gleichen.
Der Vorsprung oder die Einkerbung ist besonders bevorzugt Teil des Gehäusekörpers und mit diesem einstückig ausgebildet .
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung enthält der Gehäusekörper ein elektrisch leitendes Material. Dies kann vorteilhafterweise elektrostatische Aufladungen verhindern. Ladungsbedingte Anziehungskräfte zwischen Gehäusekörper und Körper, die möglicherweise eine Bewegung des Körpers nachteilhaft beeinflussen, können dadurch verringert werden. Vorzugsweise wird das für den Gehäusekörper vorgesehene Material mit dem elektrisch leitenden Material versetzt. Für den Gehäusekörper ist beispielsweise ein elektrisch leitendes Kunststoffmaterial geeignet.
Insbesondere enthält der Gehäusekörper zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit Carbonfasern oder Rußpartikel . Dadurch kann der Gehäusekörper gleichzeitig geschwärzt sein, und Streulichteinflüsse, die ein Detektorsignal beeinträchtigen können, werden wirksam vermindert. Um letztere Wirkung zu erzielen, ist es ferner von Vorteil, für den Gehäusekörper ein schwach reflektierendes Material
vorzusehen. Als weitere Maßnahme kann die Innenfläche des Gehäusekörpers aufgeraut werden.
Das elektrisch leitende Material kann in ein Grundmaterial mit hoher Steifheit und Wärmebeständigkeit eingebettet sein. Beispielsweise können LCP (Liquid Crystal Polymer) oder PPA (Polyphthalamid) als Grundmaterial für den Gehäusekörper Verwendung finden.
Bei einer weiteren Ausführung weist der Kippsensor eine Leiterplatte auf, die mit dem Gehäusekörper verbunden ist. Auch die Leiterplatte kann eine Beschichtung zur
Verringerung von Streulichteinflüssen aufweisen. Die
Beschichtung kann beispielsweise ein schwarzer Lötstopplack sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dient die Leiterplatte als Bodenplatte des Kippsensors. Diese Doppelfunktion trägt zu einem kompakten Aufbau des Kippsensors bei. Ferner ermöglichen Durchkontaktierungen, die an Ecken der Leiterplatte angeordnet und insbesondere viertelkreisförπdg ausgebildet sein können, eine Verringerung der Bauteilgröße. Die Abmessungen des Kippsensors nehmen bevorzugter Weise Werte im einstelligen Millimeterbereich an. Besonders bevorzugt nehmen die Abmessungen Werte zwischen 4mm x 4mm x lmm und 5mm x 5mm x 3mm an. Beispielsweise kann der Kippsensor Abmessungen von 4mm x 4mm x 1.7mm aufweisen.
Mit besonderem Vorteil verbinden die Durchkontaktierungen oberseitige Anschlussflächen mit rückseitigen Lötkontakten. Mittels der rückseitigen Lötkontakte ist der Kippsensor elektrisch anschließbar und insbesondere oberflächenmontierbar .
Der Gehäusekörper ist mit der Bodenplatte bevorzugter Weise formschlüssig verbunden. Besonders bevorzugt sitzt der Gehäusekörper derart auf der Leiterplatte auf, dass die Vertiefung, in welcher der Körper angeordnet ist, zumindest auf einer Seite durch die Leiterplatte begrenzt ist.
Weiter bevorzugt ist die optoelektronische Einheit auf der Leiterplatte angeordnet. Vorteilhafterweise kann die optoelektronische Einheit auf die Leiterplatte montiert, beispielsweise geklebt werden, bevor der Gehäusekörper über die optoelektronische Einheit gestülpt wird. Dadurch ist eine einfache Montage der optoelektronischen Einheit möglich.
Außer der Vertiefung für den Körper kann der Gehäusekörper eine weitere Vertiefung aufweisen, in welcher die optoelektronische Einheit angeordnet ist. Mittels des Gehäusekörpers ist die optoelektronische Einheit vor äußeren mechanischen oder thermischen Belastungen geschützt.
Die Vertiefung für die optoelektronische Einheit kann derart ausgebildet sein, dass störende Streulichteffekte reduziert sind. Dafür können die Strahlungsemittierende Einheit und die strahlungsempfangende Detektoreinheit durch Wände des Gehäusekörper weitgehend von der Umgebung abgeschirmt sein. Lediglich ein tunnelartiger, insbesondere abgewinkelter Verbindungsgang kann zwischen der Strahlungsemittierenden Einheit und der strahlungsempfangenden Detektoreinheit vorgesehen sein.
Vorzugsweise setzt sich die optoelektronische Einheit aus mehreren Bauteilen zusammen. Insbesondere kann die Strahlungsemittierende Einheit von mindestens einem
- S -
strahlungsemittierenden Chip, die strahlungsempfangende Detektoreinheit von mindestens einem strahlungsempfangenden Chip und die Schaltungseinheit von einem Schaltungschip mit einer integrierten Halbleiterschaltung gebildet sein. Der Strahlungsemittierende Chip und der Strahlungsempfangende Chip sind mit dem Schaltungschip verschaltet. Der Schaltungschip kann als IC (Integrated Circuit) ausgeführt sein. Um labile beziehungsweise Undefinierte Zustände des Kippsensors zu vermeiden, die beispielsweise durch Vibrationen des Gehäusekörpers oder Einschwingvorgänge auftreten können, ist in dem Schaltungschip eine Schmitt- Trigger-Einheit vorgesehen. Dabei werden vorzugsweise zwei Schaltschwellen für den vom strahlungsempfangenden Chip an den Schaltungschip gelieferten Photostrom definiert. In diesem Falle dient der Schaltungschip zur Auswertung des Photostroms. Ferner kann eine Bestromung der Strahlungsemittierenden Einheit über den Schaltungschip erfolgen. Gegebenenfalls können dem Schaltungschip weitere derartige Funktionen zugeordnet werden.
Der Strahlungsemittierende Chip kann eine Leuchtdiode sein, die beispielsweise Strahlung im infraroten Bereich emittiert. Auch ist es denkbar, dass der Strahlungsemittierende Chip eine Laserdiode ist. Der Strahlungsempfangende Chip kann eine Photodiode oder ein Phototransistor sein, welche/r für die vom Strahlungsemittierenden Chip emittierte Strahlung empfindlich ist. Der strahlungsempfangende Chip ist so angeordnet, dass er einen für ein Signal ausreichenden Anteil der vom Strahlungsemittierenden Chip emittierten Strahlung empfangen kann. Die emittierte Strahlung erreicht den Strahlungsempfangenden Chip vorzugsweise auf direktem Wege. Der Strahlungsemittierende Chip kann beispielsweise Strahlung in alle Raumrichtungen emittieren.
Ebenso ist es denkbar, dass die emittierte Strahlung den strahlungsempfangenden Chip auf indirektem Wege erreicht, wobei der Strahlungsemittierende Chip und der Strahlungsempfangende Chip nebeneinander auf einer Seite der Vertiefung für den Körper angeordnet sind. Die vom Strahlungsemittierenden Chip emittierte Strahlung wird entweder durch den Körper oder ein auf der gegenüberliegenden Seite der Vertiefung angeordnetes reflektierendes Element in Richtung des Strahlungsempfangenden Chips reflektiert.
Der Stromverbrauch des Kippsensors kann vorteilhafterweise dadurch gering gehalten werden, dass der
Strahlungsemittierende Chip diskret bestromt wird und ferner ein Kippsensorsignal in relativ großen, jedoch für einen Geräte-Benutzer ausreichend kleinen Zeitabständen, etwa von mehreren 100 ms, ausgelesen und ausgewertet wird. Dies führt ferner zu einer vorteilhaften Schwingungsdämpfung. Der Stromverbrauch kann dabei auf einen Durchschnittswert von etwa 50μA oder weniger beschränkt werden.
Vorzugsweise ist im Bereich der Vertiefung für den Körper auf der Leiterplatte eine Metallfläche aufgebracht. Insbesondere ist die Metallfläche für einen Anschluss an ein Massepotential vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass elektrostatische Aufladungen weitgehend verhindert und somit aufgrund reduzierter ladungsbedingter Anziehungskräfte eine im Wesentlichen ungehinderte Bewegung des Körpers möglich ist. Aus demselben Grund erweist sich ein Körper als vorteilhaft, der nicht isolierend und zumindest geringfügig elektrisch leitend ist. Ferner ist ein vergleichsweise gut reflektierendes oder absorbierendes Material geeignet, wodurch der Körper für die vom Strahlungsemittierenden Chip
emittierte Strahlung im Wesentlichen strahlungsundurchlässig ist. Beispielsweise kann der Körper Stahl, Silizium oder einen keramischen Werkstoff enthalten. Als keramischer Werkstoff ist zum Beispiel Wolframcarbid geeignet, das ein besonders hartes Material hoher Dichte ist. Im Zuge einer Miniaturisierung des Kippsensors kann der Durchmesser des Körpers kleiner werden. Dies führt zu einer Reduzierung des Gewichts, wodurch die Bewegung des Körpers beeinträchtigt ist. Durch ein schwereres Material wie Wolframcarbid kann die Gewichtsreduzierung vorteilhafterweise ausgeglichen werden.
Der Körper ist vorzugsweise wenig oder überhaupt nicht magnetisch wechselwirkend. Der Körper kann beispielsweise einen leicht ferromagnetischen Stahl enthalten. Der Vorteil eines derartigen Körpers besteht in der Überprüfbarkeit der Funktionsfähigkeit des Kippsensors während der Herstellung und Weiterverarbeitung mit Hilfe starker Magnete. Allerdings sollte der ferromagnetische Anteil so gering sein, dass das Erdmagnetfeld auf den Körper keinen wesentlichen Einfluss ausüben kann.
Gemäß einer bevorzugten Variante liefert der Kippsensor ein digitales Ausgangssignal . Dies ist hinsichtlich einer Verwendung des Kippsensors für ein digitales Gerät, beispielsweise eine Digitalkamera, besonders vorteilhaft, etwa um zwischen einer Hochformat-Ausrichtung und einer Querformat-Ausrichtung zu unterscheiden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Variante verläuft die vorgegebene Bahn auf der Leiterplatte. Beispielsweise kann die Leiterplatte eben ausgebildet sein, wobei eine Führung des Körpers allein durch die Vertiefung im Gehäusekörper erfolgt. Desweiteren kann die vorgegebene Bahn auf der
Innenfläche des Gehäusekörpers verlaufen. Ob die Bahn auf der Leiterplatte oder der Innenfläche verläuft, hängt typischerweise davon ab, wie der Kippsensor montiert ist beziehungsweise in welcher Richtung sich die Kippachse erstreckt. Wenn die vorgegebene Bahn auf der Leiterplatte verläuft, erstreckt sich die Kippachse in einer Ebene parallel zur Leiterplatte. Hingegen erstreckt sich die Kippachse senkrecht zur Leiterplatte, wenn die vorgegebene Bahn auf der Innenfläche verläuft.
Die vorgegebene Bahn kann beispielsweise geradlinig verlaufen. Bei der zweiten Position, bei welcher sich ein zweites Ende der Bahn befindet, sind bevorzugter Weise auf einer ersten Seite der Vertiefung der strahlungsemittierende Chip und diesem gegenüberliegend auf einer zweiten Seite der Vertiefung der strahlungsempfangende Chip angeordnet. Nach einer Rotation des Kippsensors im Schwerefeld befindet sich der Körper bei der zweiten Position zwischen dem strahlungsemittierenden Chip und dem Strahlungsempfangenden Chip. Vor der Rotation, befindet sich der Chip bei der ersten Position, bei welcher sich ein erstes Ende der Bahn befindet.
Alternativ kann die vorgegebene Bahn gekrümmt sein. Bei einer gekrümmten Bahn ist der strahlungsemittierende Chip auf der ersten Seite der Vertiefung vorzugsweise mittig zwischen der ersten Position und der zweiten Position angeordnet, während eine Mehrzahl von strahlungsempfangenden Chips nebeneinander auf der zweiten Seite der Vertiefung angeordnet sind. Im Anfangszustand kann sich der Körper bei der ersten Position befinden und sich bei einer Rotation des Kippsensors entlang der gekrümmten Bahn auf die zweite Position, den Endzustand, zubewegen. Bei der Bewegung wird eine erste Anzahl von Strahlungsempfangenden Chips durch den Körper abgeschattet,
während eine zweite Anzahl von Strahlungsempfangenden Chips bestrahlt wird. Durch die Gesamtheit der einzelnen momentanen Signale ist die Bestimmung einer momentanen Position des Körpers möglich.
Zweckmäßigerweise ist der Körper ein Roll-, Wälz- oder Gleitkörper. Insbesondere ist der Körper eine Kugel, ein Zylinder oder eine Scheibe. Es ist auch denkbar, anstelle einer Kugel eine Mehrzahl von Kugeln vorzusehen, um dadurch Streulichteinflüsse zu reduzieren.
Der Kippsensor, der vorzugsweise entsprechend einer der oben genannten Ausgestaltungen ausgebildet ist, kann in einem Gerät, beispielsweise in einem mobilen Gerät wie einem Mobiltelefon, einer Kamera oder einem Pocket PC eingebaut sein. Hierbei ist der Kippsensor vorzugsweise derart eingebaut, dass eine Unterscheidung zwischen einer vertikalen Ausrichtung der Längsachse des Geräts und einer horizontalen Ausrichtung der Längsachse des Geräts möglich ist.
Bevorzugter Weise ist der Kippsensor im Gerät derart eingebaut, dass die Bahn bezüglich einer Auflagekante des Geräts einen Winkelversatz Y > 0s aufweist. Bei einer vertikalen Ausrichtung der Längsachse des Kippsensors und einem geradlinigen Bahnverlauf weist die Bahn besonders bevorzugt einen Winkelversatz Y = 45 e gegenüber der Auflagekante auf. Auch ein anderer Winkelversatz ist denkbar. Mit einem derartigen Winkelversatz y setzt sich der Körper beim Kippen des Kippsensors erst dann in Bewegung, wenn der Kippsensor um einen Kippwinkel α ≥ Y gekippt wird. Dies erhöht vorteilhafterweise die Stabilität des Kippsensors gegenüber Erschütterungen.
Im Falle einer gekrümmten Bahn kann eine, geradlinige Verbindung zwischen den Endpunkten der Bahn einen Winkelversatz Y > 0a aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Kippsensors umfasst dieser einen ersten Körper, der entlang einer ersten vorgegebenen Bahn bewegbar ist, und einen zweiten Körper, der entlang einer zweiten vorgegebenen Bahn bewegbar ist, wobei die erste und die zweite Bahn in einer gemeinsamen Ebene verlaufen. Vorteilhafterweise ist mittels eines derartigen Kippsensors mit zwei Körpern eine genauere Bestimmung des Kippwinkels möglich als mit einem Kippsensor mit einem Körper. Denn mittels der beiden Körper können statt zwei verschiedenen Kippstellungen (Hochformat-Ausrichtung und Querformat-Ausrichtung) , vier verschiedene Kippstellungen bestimmt werden.
Bevorzugterweise verlaufen die erste und die zweite Bahn linear und schließen einen Winkel μ > 0° ein. Besonders bevorzugt beträgt der Winkel μ = 90°.
Es genügt in diesem Fall eine strahlungsemittierende Einheit beziehungsweise ein strahlungsemittierender Chip, der beide Körper beleuchtet. Die strahlungsemittierende Einheit beziehungsweise der strahlungsemittierende Chip kann an einem Überkreuzungspunkt der ersten und der zweiten Bahn angeordnet sein. Vorzugsweise ist dann auf einer der Strahlungsemittierenden Einheit beziehungsweise dem Strahlungsemittierenden Chip gegenüber liegenden Seite der ersten und der zweiten Bahn jeweils eine strahlungsempfangende Einheit beziehungsweise ein strahlungsempfangender Chip angeordnet.
Darüber hinaus weist der Kippsensor mit zwei Körpern eine dem Kippsensor mit einem Körper entsprechende Funktionsweise und einen entsprechenden Aufbau auf .
Eine erfindungsgemäße Kippsensor-Anordnung weist einen ersten und einen zweiten Kippsensor gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind der erste Kippsensor und der zweite Kippsensor in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Vorteilhafterweise ist dadurch eine genauere Bestimmung des Kippwinkels möglich. Denn mittels zweier Kippsensoren können statt zwei verschiedenen Kippstellungen (Hochformat-Ausrichtung und Querformat-Ausrichtung) , vier verschiedene Kippstellungen bestimmt werden, wobei vorzugsweise jeweils zwei aufeinander folgende Kippstellungen eine Kippwinkel-Differenz von 90s aufweisen.
Gemäß einer alternativen Ausführung ist der erste Kippsensor in einer ersten Ebene und der zweite Kippsensor in einer zweiten, zur ersten Ebene quer verlaufenden Ebene angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass neben einer Kippung des Kippsensors eine Neigung des Kippsensors bestimmt werden kann. Der Kippsensor wird geneigt, indem er im Schwerefeld um -eine Neigungsachse rotiert wird, wobei die Neigungsachse senkrecht zur Kippachse verläuft. Wie die Kippachse erstreckt sich die Neigungsachse in einer Ebene parallel zur Leiterplatte, wenn die vorgegebene Bahn auf der Leiterplatte verläuft. Hingegen erstreckt sich die Neigungsachse senkrecht zur Leiterplatte, wenn die vorgegebene Bahn auf der Innenfläche verläuft.
Vorzugsweise sind die Kippsensoren relativ zueinander derart angeordnet, dass deren vorgegebene Bahnen quer zueinander verlaufen. Bei einer Rotation der gesamten Anordnung um die Kippachse sind mittels des Kippsensors vier verschiedene Kippwinkel unterscheidbar. Somit ist mittels der Anordnung eine bessere Lagebestimmung als mit einem einzigen Kippsensor möglich.
In Analogie zum Kippsensor kann die Kippsensor-Anordnung für ein mobiles Gerät, beispielsweise ein Mobiltelefon, eine Kamera oder einen Pocket PC verwendet werden. Ferner kann mindestens einer der beiden Kippsensoren im Gerät derart eingebaut sein, dass die Bahn bezüglich einer Auflagekante des Geräts einen Winkelversatz Y > O2 aufweist. Dieser kann 452 betragen. Dementsprechend weist der zweite Kippsensor einen Winkelversatz Y = 135a auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Gehäusekörper einen Achteck-Grundriss auf.
Der fertige Kippsensor bleibt vorzugsweise selbst bei Löttemperaturen von mehr als 250sC zerstörungsfrei. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Leiterplatte ein Material mit einer Erweichungstemperatur TG > 1403C enthält.
Der erfindungsgemäße Kippsensor ist nicht auf die bereits beschriebenen Ausführungen beschränkt. Es sind weitere Ausgestaltungen denkbar, bei denen das dem Kippsensor zugrundeliegende Funktionsprinzip auf andere Weise realisiert ist.
Bei einer möglichen Variante des Kippsensors ist der Körper ein Pendelkörper, der mittels einer Aufhängung am Gehäusekörper befestigt ist. Vorzugsweise erfährt der Pendelkörper bei einer Kippung des Kippsensors keine Auslenkung. Im Anfangszustand kann eine Achse, auf welcher der Strahlungsemittierende und der Strahlungsempfangende Chip angeordnet sind, mit einem Winkel kleiner als 90s zur Achse des Pendelkörpers verlaufen. Der Strahlengang zwischen den beiden Chips ist dann geschlossen. Nach einer Kippung des Kippsensors und folglich einer Kippung der Achse, auf welcher der strahlungsemittierende und der Strahlungsempfangende Chip angeordnet sind, können die beiden Achsen im Endzustand einen Winkel von 902 einschließen. Dann ist der Strahlengang unterbrochen .
Bei einer alternativen Variante des Kippsensors ist zwischen dem strahlungsemittierenden Chip und dem strahlungsempfangenden Chip eine Flüssigkeitssäule angeordnet. Die Flüssigkeit kann mit Strahlung absorbierenden Partikeln versetzt sein, deren Verteilung in der Flüssigkeit sich mit dem Kippwinkel ändert. Die Strahlung wird somit in Abhängigkeit vom Kippwinkel stärker oder schwächer absorbiert. Die gleiche Wirkung kann bei einer Flüssigkeitssäule erzielt werden, die zwei unterschiedlich strahlungsdurchlässige, nicht mischbare Flüssigkeiten oder alternativ eine absorbierende Flüssigkeit und eine Gasblase enthält.
Im Mittelpunkt der bisherigen Ausgestaltungen steht eine Rotation des Kippsensors um die Kippachse. Für eine stabile Anzeige der Rotation um die Kippachse ist es von Vorteil, wenn eine Rotation des Kippsensors um die Neigungsachse einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Rotation um die Kippachse
hat. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Fläche, auf der sich der Körper bewegt, Hindernisse aufweist. Denn diese behindern eine uneingeschränkte Bewegung des Körpers. Dadurch ist der Kippsensor vergleichsweise unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Rotationen um die Neigungsachse . Dies bedeutet ferner, dass der Kippwinkel, ab welchem sich der Körper in Bewegung setzt, im Wesentlichen unabhängig ist vom Neigungswinkel.
Die Hindernisse können insbesondere in Form von grabenartigen oder muldenartigen Strukturierungen vorgesehen sein, die sich quer zur Bewegungsrichtung des Körpers erstrecken.
Weitere bevorzugte Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Vorteile eines Kippsensors gemäß der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 12 näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kippsensors,
Figur 2 eine schematische Aufsicht auf das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kippsensors,
Figur 3 eine schematische Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kippsensors,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gehäusekörpers,
Figur 5 eine weitere perspektivische Ansicht des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gehäusekörpers ,
Figur 6 eine schematische Aufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kippsensors,
Figur 7 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kippsensors,
Figur 8 eine weitere schematische Darstellung des vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kippsensors,
Figur 9 eine schematische Darstellung eines ersten Geräts mit einem erfindungsgemäßen Kippsensor,
Figur 10 eine schematische Darstellung der verschiedenen Orientierungen des Geräts,
Figur 11 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippsensor- Anordnung,
Figur 12 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kippsensor- Anordnung .
In Figur 1 ist ein Kippsensor 1 in einer Querschnittsansicht A-A dargestellt. Der Kippsensor 1 weist einen Gehäusekörper 2, einen Körper 3 und eine Leiterplatte 4 auf. Der Gehäusekörper 2 grenzt an die ebene Leiterplatte 4, die zugleich als Bodenplatte des Kippsensors 1 dient.
Die Leiterplatte 4 steht an Seitenkanten des Gehäusekörpers 2 geringfügig über. Wie in Figur 2 gezeigt, sind an diesen Stellen Durchkontaktierungen 8a bis 8d angebracht.
Der Körper 3 ist in einer für diesen vorgesehenen Vertiefung 6 des Gehäusekörpers 2 angeordnet. Vorzugsweise ist die Vertiefung 6 kanalartig geformt. Ein Querschnitt der Vertiefung 6 unterscheidet sich nur geringfügig von einem Querschnitt des Körpers 3, wobei die Größe der Vertiefung 6 so bemessen ist, dass eine ungehinderte Bewegung des Körpers 3 möglich ist. Der in Figur 1 dargestellte Körper 3 ist als Kugel ausgebildet. Diese kann einen Durchmesser von etwa 0.8mm aufweisen. Der Durchmesser der Vertiefung 6 kann Werte im Bereich von etwa lmm annehmen.
Bei einer Rotation des Kippsensors 1 um die Kippachse K, vorzugsweise um einen Kippwinkel α = 902, bewegt sich der Körper 3 von einer ersten Position I (wie in Figur 2 dargestellt) zu einer zweiten Position II (wie in Figur 2 dargestellt) . Die Kippachse K verläuft senkrecht zu einer Achse G, die sich parallel zur Schwerkraft erstreckt. Eine Führung des Körpers 3 erfolgt mittels der Innenflächen 14. Der Körper bewegt sich dadurch entlang einer geradlinigen Bahn 24 (s. Figur 2), die auf der Leiterplatte 4 verläuft. Eine Oberfläche der Leiterplatte 4, auf welcher die Bahn 24 verläuft, entspricht der oben erwähnten vorgegebenen Fläche. Eine Kippachse K erstreckt sich hierbei in einer Ebene parallel zur Leiterplatte 4 und senkrecht zur Bahn 24.
Ein strahlungsemittierender Chip 5a und ein strahlungsempfangender Chip 5b sind so angeordnet, dass sich der Körper 3 bei der zweiten Position II (s. Figur 2) zwischen den beiden Chips 5a und 5b befindet. Im Betrieb
emittiert der Strahlungsemittierende Chip 5a Strahlung in Richtung des strahlungsempfangenden Chips 5b, wobei die. emittierte Strahlung den Strahlungsempfangenden Chip 5b auf direktem Wege erreicht. Ein Strahlengang 10 ist unterbrochen, wenn sich der Körper 3 zwischen den beiden Chips 5a und 5b befindet. Hingegen ist der Strahlengang 10 geschlossen, wenn sich der Körper 3 nicht zwischen den beiden Chips 5a und 5b befindet .
Der Gehäusekörper 2 weist außer der Vertiefung 6 eine Vertiefung 7a, in welcher der Strahlungsemittierende Chip 5a angeordnet ist, und weiterhin eine Vertiefung 7b auf, in welcher der Strahlungsempfangende Chip 5b angeordnet ist.
In Figur 2 ist eine Aufsicht auf den in Figur 1 dargestellten Kippsensor 1 gezeigt. Der Kippsensor 1 umfasst eine optoelektronische Einheit, die sich aus dem Strahlungsemittierenden Chip 5a, dem strahlungsempfangenden Chip 5b und einem Schaltungschip 5c zusammensetzt. Der Strahlungsemittierende Chip 5a und der Strahlungsempfangende Chip 5b sind mittels einer elektrischen Verbindung 11 mit dem Schaltungschip 5c verschaltet. Durch diese Verschaltung kann der Strahlengang 10 und ein Detektorsignal erzeugt werden.
Der Strahlengang 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel geschlossen, wenn sich der Körper 3 bei der Position I befindet. Hingegen ist der Strahlengang 10 unterbrochen, wenn sich der Körper 3 bei der Position II befindet.
Vorzugsweise ist der Strahlungsemittierende Chip 5a eine infrarote Strahlung emittierende Leuchtdiode, der Strahlungsempfangende Chip 5b ein Phototransistor und der Auswertechip 5c ein ASIC .
Die Durchkontaktierungen 8a bis 8d, die vorzugsweise die Form eines Viertelkreises beziehungsweise -ringes aufweisen, sind mit rückseitigen Lötkontakten verbunden. Dadurch kann der Kippsensor 1 bei einer Montage auf einer Platine einfach elektrisch angeschlossen werden. Die Durchkontaktierung 8a kann beispielsweise an ein Massepotential angeschlossen sein, während die Durchkontaktierung 8c für ein digitales Ausgangssignal vorgesehen ist.
Der in Figur 3 dargestellte Kippsensor 1 weist eine Metallfläche 9 auf. Die Metallfläche 9 ist unter anderem mittels einer Leiterbahn 12 mit der Durchkontaktierung 8b verbunden und kann somit an ein Massepotential angeschlossen werden. Dies hat den Vorteil, dass elektrostatische Aufladungen verhindert werden können. Ebenso kann der Körper 3 ein zumindest geringfügig elektrisch leitendes Material enthalten. Wie in Figur 3 dargestellt kann die Bahn 24 auf der Metallfläche 9 verlaufen.
In den Figuren 4 und 5 ist ein Gehäusekörper 2 dargestellt, der für einen Kippsensor gemäß der Erfindung besonders geeignet ist. Der Gehäusekörper 2 weist die Vertiefungen 7a, 7b und 7c auf, in welche beim fertigen Kippsensor der Strahlungsemittierende Chip 5a (nicht dargestellt) , der strahlungsempfangende Chip 5b (nicht dargestellt) und der Schaltungschip 5c (nicht dargestellt) , die die optoelektronische Einheit bilden, hineinragen. Desweiteren ist beim fertigen Kippsensor der Körper 3 (nicht dargestellt) in der kanalartigen Vertiefung 6 angeordnet, wobei sich der Körper 3 bei einer Rotation des Kippsensors um die Kippachse in Längsrichtung der Vertiefung 6 bewegt.
Der Gehäusekörper 2 kann eine Vieleckform, insbesondere eine Achteckform, aufweisen. Diese Form trägt vorteilhafterweise zu einem kompakten Aufbau des fertigen Kippsensors bei.
Zur Verminderung der Haftreibung, die zwischen dem Körper 3 (nicht dargestellt) und der Innenfläche 14 des Gehäusekörpers
2 auftreten kann, weist die Innenfläche 14 mindestens einen Vorsprung 13 auf. Vorzugsweise erstreckt sich der Vorsprung 13 dachförmig auf der Innenfläche 14.
Mittels der dachförmigen Ausbildung des Vorsprungs 13 ist eine Kontaktfläche zwischen dem Körper 3 (nicht dargestellt) und der Innenfläche 14 vorteilhaft verkleinert, da der Körper
3 auf einer Kante 25 des Vorsprungs 13 aufliegt.
Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt, enthält der Gehäusekörper 2 bevorzugter Weise ein Kunststoffmaterial, das Streulichteinflüsse reduziert, die für die optoelektronische Einheit von Nachteil sind. Besonders bevorzugt enthält der Gehäusekörper 2 weiterhin ein elektrisches Material, um elektrostatische Aufladungen zu vermeiden.
Der in Figur 6 dargestellte Kippsensor weist zwei Körper 3 auf, die jeweils entlang einer eigenen Bahn 24 bewegbar sind. Die beiden Bahnen verlaufen hierbei linear und schließen einen Winkel von μ = 90° ein. Vorteilhafterweise ist mittels eines derartigen Kippsensors eine genauere Bestimmung des Kippwinkels möglich als mit einem wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Kippsensor. Denn mittels der beiden Körper können statt zwei verschiedenen Kippstellungen (Hochformat- Ausrichtung und Querformat-Ausrichtung) , vier verschiedene Kippstellungen bestimmt werden.
Mittels des strahlungsemittierenden Chips' 5a können beide Körper beleuchtet werden, wobei zur Strahlungsdetektion jeweils ein strahlungsemittierender Chip 5b für jeden Körper 3 vorgesehen ist.
In Figur 7 und Figur 8 ist eine Aufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Kippsensor schematisch dargestellt.
In diesem Fall weist der Gehäusekörper eine Vertiefung 6 auf, die in Form eines Ringsegments ausgebildet ist. Das Ringsegment ist hierbei nicht notwendigerweise ein Kreisringsegment. Auf einer Seite der Vertiefung 6 ist der Strahlungsemittierende Chip 5a angeordnet. Auf einer gegenüberliegenden Seite der Vertiefung 6 sind mehrere strahlungsempfangende Chips 5b angeordnet.
Vor einer Rotation des Kippsensors um die Kippachse K, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft, wird der 1. Chip 5b mittels des Körpers 3 im Wesentlichen abgeschattet. Der Strahlengang ist also unterbrochen. Alle weiteren Strahlengänge 10 sind jedoch geschlossen, wobei die Detektorsignale vom 3. bis zum 6. Chip 5b am stärksten sind.
Infolge einer Rotation des Kippsensors um einen Kippwinkel α bewegt sich der Körper 3 entlang der Bahn 24, die aufgrund der Form der Vertiefung 6 gekrümmt ist.
Wie in Figur 8 dargestellt, kann der Körper 3 etwa auf halber Strecke den 3. und 4. Chip 5b abschatten. Der Strahlengang 10 des 1. und 6. Chips 5b ist hingegen geschlossen.
Mittels der in Figur 7 und 8 dargestellten Anordnung ist vorteilhafterweise eine Bestimmung der momentanen Position des Körpers 3 möglich. Dies wiederum ermöglicht eine Bestimmung des momentanen Kippwinkels α.
In Figur 9 ist ein Gerät 15 mit einem Kippsensor 1 dargestellt. Das Gerät 15 stellt ein Mobiltelefon dar, welches hochkantig angeordnet ist, so dass eine Längsachse B des Geräts 15 vertikal ausgerichtet ist. Dieser Zustand, in dem sich außerdem der Körper 3 bei der Position I befindet, kann als Ausgangszustand definiert werden.
Der Kippsensor 1 ist vorzugsweise derart in das Gerät 15 eingebaut, dass die Bahn 24, entlang welcher sich der Körper 3 bewegt, einen Winkelversatz Y = 45s gegenüber einer Seitenkante 16 des Geräts 15 aufweist. Die Seitenkante 16 bildet zugleich eine Auflagekante des Geräts 15.
In Figur 10 ist eine Rotation des Geräts 15 um die Kippachse K dargestellt. Bei einer Rotation um einen Kippwinkel α = 902 gegen den Uhrzeigersinn bewegt sich der Körper 3 von Position I nach Position II. Die Positionsänderung kann dadurch bestimmt werden, dass der Strahlengang 10 (nicht dargestellt) bei Position I geschlossen ist, während er bei Position II unterbrochen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Kippachse K senkrecht zur Leiterplatte 4. Ferner ist der Kippsensor 1 derart im Gerät 15 befestigt, dass die Leiterplatte 4 senkrecht zu einer Auflagefläche 26 angeordnet ist. Alternativ kann die Leiterplatte 4 parallel zur Auflagefläche 26 angeordnet sein. Bei einer senkrechten Anordnung verläuft die Bahn auf der Innenfläche 14 (nicht dargestellt) . Bei einer parallelen Anordnung verläuft die Bahn (nicht dargestellt) auf der Leiterplatte 4.
Weiterhin ist in Figur 10 eine Rotation des Geräts 15 um die Neigungsachse N dargestellt. Diese Rotation kann durch den Neigungswinkel ß angegeben werden. Die Neigungsachse N verläuft senkrecht zur Kippachse K.
Wie angezeigt verlaufen die Kippachse K und die Neigungsachse N senkrecht zu einer Achse G, die sich parallel zur Schwerkraft erstreckt.
Die in Figur 11 dargestellte Kippsensor-Anordnung 17 weist zwei Kippsensoren 1 auf. Dabei erstrecken sich die Leiterplatten 4 in einer gemeinsamen Ebene. Allerdings verlaufen die Bahnen 24 der Kippsensoren 1 quer zueinander, wobei sie einen Winkel δ > 0a einschließen. Eine derartige Anordnung ermöglicht bei einer Rotation um die Kippachse K eine eindeutige Unterscheidung von vier verschiedenen Kippwinkeln α. Bei δ = 90s unterscheiden sich die eindeutig bestimmbaren Kippwinkel jeweils um 902. Somit sind mit einer derartigen Kippsensor-Anordnung 17 vier verschiedene Ausrichtungen, beispielsweise der Längsachse eines mobilen Geräts, unterscheidbar.
Mit der in Figur 12 dargestellten Kippsensor-Anordnung 17 kann auch eine Änderung des Neigungswinkels ß bestimmt werden. Dafür sind die Leiterplatten 4 der beiden Kippsensoren 1 quer zueinander angeordnet, wobei der Winkel ε größer ist als 0a. Wie bei der in Figur 10 dargestellten Kippsensor-Anordnung 17 verlaufen die Bahnen ebenfalls quer zueinander .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.