WO2016087159A1 - Kapazitiver kraftsensor - Google Patents
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- WO2016087159A1 WO2016087159A1 PCT/EP2015/076027 EP2015076027W WO2016087159A1 WO 2016087159 A1 WO2016087159 A1 WO 2016087159A1 EP 2015076027 W EP2015076027 W EP 2015076027W WO 2016087159 A1 WO2016087159 A1 WO 2016087159A1
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- G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
Definitions
- the invention relates to a capacitive force sensor with a base body and a flat, elastically yielding membrane body.
- the membrane body rests on one or more spacers on the base body, so that between the membrane body and the base body, a cavity is formed, which is bounded by one side of the membrane body and one side of the base body.
- the volume of the cavity changes.
- the surfaces of the base body and of the membrane body delimiting the cavity have a metallic layer or coating and thus form mutually opposite electrodes of a measuring capacitor with a measuring capacitance.
- the cavity is filled, for example, with air as a dielectric.
- the membrane body Since the membrane body has a certain elastic flexibility, it responds to a force with a deflection. As a result, the distance of the electrodes from each other is changed and thus the capacitance of the capacitor defined by the cavity or the electrodes.
- Corresponding capacitive force sensors are often part of an electronic system, so that it is known to form the base body together with the associated electrode from a printed circuit board, as is known, for example, from US Pat. No. 5,134,886.
- a disadvantage of these force sensors is that the cavity provided for bending under the action of force also defines the measuring capacity. Thus, mechanical and electrical measuring properties influence each other mutually. This is disadvantageous in the mechanical or electrical design of a capacitive force sensor.
- the invention relates to a capacitive force sensor.
- the capacitive force sensor according to the invention has a base body and a flat, elastically yielding membrane body. Furthermore, two spaced-apart spacers between the base body and the membrane body are provided, wherein the Membrane body supported by the spacers on the base body.
- Membrane body projects beyond at least one of the spacers and forms a free end with this projecting part. Between the membrane body and the base body, a cavity is formed in the area between the spacers to permit bending of the membrane body upon application of force to the membrane body in the region between the spacers and wherein at the free end a first electrode and at the base body a second electrode is provided, wherein the first and second electrodes define a changing with the force measurement capacity.
- the change in the measuring capacity results from a change in position of the free end with respect to the second electrode which results from bending in regions.
- means for electrically contacting the first and second electrodes are also provided.
- “Flat” in the sense of the invention means a body which has dimensions in two dimensions that are considerably larger, for example at least ten times greater than in the remaining dimension
- the dimension of the membrane body in this latter dimension is less than 2 mm, for example 1, 5 or 1.0 mm, more preferably less than 1 mm, for example 0.5 mm
- the mechanical and electrical properties can be set independently of one another, for example, by designing the membrane body, such as the choice of material, dimensions, thickness, the choice of the clear dimension between the spacers, spacing between membrane body and base body determined while the electrical properties can be adjusted by the amount of overhang of the free end of its orientation and distance to the base body.
- the inventive design of the force sensor also allows the arrangement of a breakthrough in the membrane body in the lying between the spacers area. This breakthrough does not affect the measurement capacity.
- the body surface is a printed circuit board and the second electrode is formed by a metallic coating or a metallic layer of the printed circuit board.
- the circuit board according to the invention comprises a nonconductive, single or multilayer printed circuit board substrate with thereon applied or introduced therein conductive, preferably metallic layers.
- the second electrode is, for example, below the free end of the membrane body and preferably on the free end. turned surface of the circuit board arranged.
- the conductive layer is embedded in the letter plate substrate according to another embodiment. According to a further embodiment, it is provided to further coat the conductive coating with a non-conductive protective lacquer.
- the metallic coating is, for example, a copper coating which is provided on the surface of the printed circuit board substrate facing the membrane body.
- the clear dimension between the spacers is less than the extent to which the free end projects beyond the next distance string. This causes a particularly large change in capacity when bending and the resulting lifting of the free end.
- the capacitive force sensor reduces the measuring capacity with increasing, the membrane body to the base body oppressive force, preferably the distance between the free end is increased in proportion to the force. This achieves a high resolution of the force sensor in the beginning of its measuring range. Ultimately, a particularly high level of operational safety and electromagnetic immunity in the unloaded state is achieved. It is preferably provided that at no force, the free end is supported on the base body.
- the free end in its region, which is opposite to the second electrode maintains a clear distance to the second electrode of not more than 0.25 mm, preferably not more than 0.1 mm.
- the abovementioned support can be designed so that an electrical contact contacting of the first and second electrodes is excluded despite the support.
- the second electrode of the force sensor forming metal part.
- the membrane body is preferably a spring steel sheet strip.
- the membrane body and the spacers are integrally formed.
- the spacers are embossed in the membrane body.
- the spacers are embossed as mutually parallel beads in the formed as a sheet metal part membrane body.
- the means for electrical contacting preferably comprise at least one am
- Membrane body trained lateral boom For example, two arms are provided on opposite sides of the membrane body. The starting point of the at least one boom on the membrane body so the transition region between
- the membrane body and the respective cantilever lie in the region between the two spacers, preferably closer to one of the spacers.
- their attachment points are preferably additionally offset from one another.
- lateral means that the cantilever extends from the outer circumference of the membrane body, and preferably extends for the most part in the plane defined by the flat design of the membrane body. The boom prevents excessive heat input into the membrane body when soldered to the circuit board.
- a secure hold of the membrane body is achieved.
- a secure pre-positioning is achieved before soldering, so that a soldering in the reflow process, wave or wave is possible.
- the at least one cantilever extends a little in sections in the circumferential direction of the membrane body in order to minimize the volume of construction claimed by the membrane body.
- these furthermore preferably extend in mutually opposite directions.
- At least the membrane body preferably the membrane body and the at least one spacer, are more preferred
- Membrane body, the at least one spacer and the at least one arm made as a stamped part.
- the invention further relates to an operating element which has a capacitive force sensor in one of the embodiments described above and a movable, an actuating surface defining actuating part which acts on the membrane body, and an evaluation unit to measure an actuating force applied to the actuating part by means of the capacitive force sensor comprises.
- the operating member further has a touch-sensitive surface to perform location-resolved touch detection while measuring the operation force by the capacitive force sensor.
- FIG. 1 shows a plan view of an embodiment of the force sensor according to the invention
- FIG. 2 a sectional view of the force sensor 1 according to the invention from FIG. 1 in FIG.
- FIG. 3 shows a sectional view of the force sensor 1 according to the invention from FIG. 1 below
- FIG. 4 shows a sectional view of a control element according to the invention with a
- Fig. 5 is a sectional view of another embodiment of the invention.
- FIG. 6 shows a representation to clarify the influence of the operating point on the measuring behavior of the force sensor 1 according to the invention.
- FIG. 1 shows the structure of the force sensor 1 according to the invention and, in particular, the shape of the membrane body 3 becomes clear from this.
- the membrane body 3 is designed substantially as a rectangular spring steel sheet strip. Parallel to its narrow sides, two beads 4a, 4b are embossed in the membrane body 3, which act as spacers 4a, 4b. As additionally shown in FIG. 2, the membrane body 3 bears exclusively on the spacers 4 a, 4 b against a base surface body 2.
- the base body 2 is a printed circuit board having a printed circuit board substrate and a copper coating 7.
- the printed circuit board facing side of the membrane body 3 and the Membrane body 3 facing side of the circuit board 2 define a cavity 8, the light dimension d is defined in the direction parallel to the circuit board 2, inter alia, by the distance of the spacers.
- the electrically conductive, metallic membrane body 3 has a rectangular section 5 projecting over the spacer 4a, which forms a free end and, in the unloaded state, extends parallel to the base body 2, as shown in FIG.
- the free end 5 defines a first electrode of a measuring capacitor 9, which is further defined by a base-side second electrode 7 and whose capacitance reflects the shaping and thus the pressure load of the membrane body 3.
- the second electrode 7 is formed by the copper coating on the printed circuit board 2 below the free end 5 of the membrane body 3.
- the copper coating 7 is electrically insulated from the membrane body 3.
- the membrane body 3 including the formed therein beads 4a, 4b are punched out of spring steel sheet, the membrane body 3 is elastically yielding and responds to a vertical force load F by elastic deflection. This reduces the volume of the cavity 8 on the one hand. On the other hand, this bending causes the free end 5 to lift off and tilt about a tilting edge defined by the spacer 4a, as FIG. 3 shows.
- the measuring capacity of the measurement capacitor 9 arranged outside the force flow is reduced and determined by an evaluation unit, not shown in FIGS. 1 to 3. For fixing the position and for electrical contacting of the
- Membrane body 3 and the first electrode forming the free end 5 are two arms 6 formed on the membrane body 3.
- Membrane body 3 are punched out as a one-piece sheet metal part from a spring steel sheet, wherein the entire sheet metal part is additionally surface gold plated.
- the arms 6 are attached offset to one another on the long sides of the membrane body 3 in the area between the spacers 4a, 4b and then extend in the opposite direction in the circumferential direction along the membrane body, wherein they run parallel to the outer circumference thereof. At their free extremity they are cranked and extend substantially perpendicular to the plane defined by the membrane body 3.
- the cranked ends are each inserted and soldered into a plated-through hole 11 of the printed circuit board 2. About this soldering, the first electrode 5 of the measuring capacitor 9 are electrically contacted by the evaluation unit, not shown.
- the vertical pressure load of the membrane body 3 is carried out in the operating element shown in Figure 4 by a movably mounted actuating member 10, which is shown only in regions in Figure 4 and, for example, a touchpad for spatially resolving
- the actuating part 10 defines on its side facing away from the force sensor 1 an actuating surface. When force is this over a plunger-like extension on the membrane body 3 of the force sensor 1 described with reference to FIGS. 1 to 3.
- FIG. 5 schematically shows a force sensor in which the clear distance h of the free end 5 of the membrane body 3 in the unloaded situation of the force sensor 1 is a reduced distance from the printed circuit board 2 and in particular from the second electrode compared to the embodiment shown in FIG 7 has.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor (1) mit einem Grundflächenkörper (2), einem flächigen, elastisch nachgebenden Membrankörper (3), zwei beabstandet zueinander angeordeneten Abstandhaltern (4) zwischen dem Grundflächenkörper und dem Membrankörper (3), wobei sich der Membrankörper (3) über die Abstandhalter (4a, 4b) an dem Grundflächenkörper (2) abstützt und der Membrankörper (3) wenigstens einen der Abstandhalter (4a) und dabei ein freies Ende (5) ausbildend überragt, wobei zwischen dem Membrankörper (3) und dem Grundflächenkörper (2) im Bereich zwischen den Abstandhaltern (4a, 4b) ein Hohlraum (8) ausgebildet ist, um bei einer Krafteinwirkung F auf den Membrankörper (3) im Bereich zwischen den Abstandhaltern (4a, 4b) ein Durchbiegen des Membrankörpers (3) zu gestatten und wobei an dem freien Ende (5) eine erste Elektrode und an dem Grundflächenkörper eine zweite Elektrode (7) vorgesehen ist, wobei erste und zweite Elektrode einen Messkondensator (9) mit sich mit der Krafteinwirkung F ändernder Messkapazität definieren und ferner Mittel zur elektrischen Kontaktierung (6) der ersten und zweiten Elektrode vorgesehen sind.
Description
Kapazitiver Kraftsensor
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor mit einem Grundflächenkörper sowie einem flächigen, elastisch nachgebenden Membrankörper. Bei bekannten Kraftsensoren liegt der Membrankörper über einen oder mehrere Abstandhalter an dem Grundflächenkörper an, so dass zwischen dem Membrankörper und dem Grundflächenkörper ein Hohlraum ausgebildet ist, der von einer Seite des Membrankörpers und einer Seite des Grundflächenkörpers begrenzt ist. Bei einer Krafteinwirkung auf den Membrankörper ändert sich das Volumen des Hohlraums. Im Allgemeinen weisen die den Hohlraum begrenzenden Flächen des Grundflächenkörpers und des Membrankörpers eine metallische Schicht oder Beschichtung auf und bilden so sich einander gegenüberliegende Elektroden eines Messkondensators mit einer Messkapazität aus. Der Hohlraum wird beispielsweise mit Luft als Dielektrikum ausgefüllt.
Da der Membrankörper eine gewisse, elastische Flexibilität aufweist, reagiert er auf eine Krafteinwirkung mit einer Durchbiegung. Dadurch wird der Abstand der Elektroden zueinander verändert und somit die Kapazität des durch den Hohlraum bzw. die Elektroden definier- ten Kondensators. Entsprechende kapazitive Kraftsensoren sind häufig Teii einer Elektronik, so dass es bekannt ist, den Grundflächenkörper samt zugehöriger Elektrode aus einer Leiterplatte auszubilden, wie es beispielsweise aus der US 5,134,886 A bekannt ist. Nachteilig bei diesen Kraftsensoren ist, dass der zur Durchbiegung unter Krafteinwirkung vorgesehene Hohlraum auch die Messkapazität definiert. Damit beeinflussen sich mechanische und elekt- rische Messeigenschaften wechselseitig. Dies ist von Nachteil bei der mechanischen bzw. elektrischen Auslegung eines kapazitiven Kraftsensors.
Es besteht daher Bedarf nach einem kapazitiven Kraftsensor, bei dem diese Eigenschaft bei gleichzeitig hoher mechanischer und thermischer Robustheit des Kraftsensors unabhängiger voneinander ausgelegt werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbeson- dere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor. Der erfindungsgemäße kapazitive Kraftsensor weist einen Grundflächenkörper sowie einen flächigen, elastisch nachgebenden Membrankörper auf. Ferner sind zwei beabstandet zueinander angeordnete Abstandhalter zwischen dem Grundflächenkörper und dem Membrankörper vorgesehen, wobei sich der
Membrankörper über die Abstandhalter an dem Grundflächenkörper abstützt. Der
Membrankörper überragt wenigstens einen der Abstandhalter und bildet mit diesem überragenden Teil ein freies Ende aus. Zwischen dem Membrankörper und dem Grundflächenkörper ist im Bereich zwischen den Abstandhaltern ein Hohlraum ausgebildet, um bei einer Krafteinwirkung auf den Membrankörper im Bereich zwischen den Abstandhaltern ein Durchbiegen des Membrankörpers zu gestatten und wobei an dem freien Ende eine erste Elektrode und an dem Grundflächenkörper eine zweite Elektrode vorgesehen ist, wobei erste und zweite Elektrode eine sich mit der Krafteinwirkung ändernde Messkapazität definieren. Beispielsweise ergibt sich die Änderung der Messkapazität durch eine sich aus dem be- reichsweise Verbiegen resultierende Lageänderung des freien Endes bezüglich der zweiten Elektrode. Erftndungsgemäß sind ferner Mittel zur elektrischen Kontaktierung der ersten und zweiten Elektrode vorgesehen sind.„Flächig" im Sinne der Erfindung meint einen Körper, der in zwei Dimensionen Abmessungen aufweist, die erheblich größer, beispielsweise wenigstens um den Faktor 10 größer sind als in der verbleibenden Dimension. Beispielsweise be- trägt die Abmessung des Membrankörpers in dieser zuletzt genannten Dimension weniger als 2 mm, beispielsweise 1 ,5 oder 1,0 mm noch bevorzugter weniger als 1 mm, beispielsweise 0,5 mm. Der Membrankörper ist bei beispielweise als rechteckiges Flächengebilde ausgebildet. Durch die erfindungsgemäß sich ergebende räumliche Trennung von Krafteinwirkung und Messkapazität lassen sich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften vorteilhaft unabhängig voneinander einstellen. Beispielsweise werden die mechanischen Eigenschaften durch Ausgestaltung des Membrankörpers, wie Materialwahl, Abmessung, Stärke, die Wahl des lichten Maßes zwischen den Abstandshaltern, Beabstandung zwischen Membrankörper und Grundflächenkörper bestimmt, während die elektrischen Eigenschaften sich durch das Maß des Überhangs des freien Endes dessen Ausrichtung und Abstand zum Grundflächenkörper einstellen lassen.
Die erfindungsgemäße Auslegung des Kraftsensors gestattet ferner die Anordnung eines Durchbruchs im Membrankörper in dem zwischen den Abstandhaltern liegenden Bereich. Dieser Durchbruch beeinträchtigt die Messkapazität nicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der G rundfläche körper eine Leiterplatte und die zweite Elektrode wird durch eine metallische Beschichtung oder eine metallische Schicht der Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterplatte im Sinne der Erfindung weist ein nichtleitendes, ein- oder mehrlagiges Leiterplattensubstrat mit darauf aufgebrachten oder darin eingebrachten leitenden, bevorzugt metallischen Schichten. Die zweite Elektrode ist beispielsweise unterhalb des freien Endes des Membrankörpers und bevorzugt auf der dem freien Ende zuge-
wandten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet. Die leitende Schicht ist gemäß einer anderen Ausgestaltung in das Letterplattensubstrat eingebettet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, die leitende Beschichtung ferner mit einem nicht leitenden Schutzlack zu überziehen. Die metallische Beschichtung ist beispielsweise eine Kupferbesch ichtung, die auf der dem Membrankörper zugewandten Oberfläche des Leiterplattensubstrats vorgesehen ist. Die Kupferschicht kann zusätzlich vergoldet sein. Diese leitende Schicht oder Beschichtung definiert die zweite Elektrode der wenigstens zwei Elektroden des durch den Kraftsensor bereitgestellten Kondensators mit kraftabhängiger Messkapazität.
Bevorzugt ist das lichte Maß zwischen den Abstandhaltern geringer als das Maß mit dem das freie Ende den nächsten Abstandshaiter überragt. Dadurch wird beim Verbiegen und durch das sich daraus ergebende Anheben des freien Endes eine besonders große Kapazitätsänderung bewirkt. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des kapazitiven Kraftsensors verringert sich mit zunehmender, den Membrankörper auf den Grundflächenkörper drückender Krafteinwirkung die Messkapazität, bevorzugt wird der Abstand zwischen freiem Ende proportional zur Krafteinwirkung vergrößert. Dadurch wird eine hohe Auflösung des Kraftsensors im Anfang seines Messbereichs erreicht. Letztlich wird eine besonders hohe Betriebssicherheit und elektromagnetische Störfestigkeit im unbelasteten Zustand erreicht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei keiner Krafteinwirkung sich das freie Ende am Grundflächenkörper abstützt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei keiner Krafteinwirkung das freie Ende in seinem Bereich, der der zweiten Elektrode gegenüberliegt, einen lichten Abstand zur zweiten Elektrode von maximal 0,25 mm, bevorzugt maximal 0,1 mm einhält. Beispielsweise kann das zuvor er- wähnte Abstützen so ausgestaltet sein, dass eine elektrische Berührkontaktierung der ersten und zweiten Elektrode trotz der Abstützung ausgeschlossen ist. Diese Auslegungen haben den Vorteil, dass der Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Kraftsensors in einen Bereich gelegt ist, bei dem das Verhältnis aus Messkapazitätsänderung und Hub bei zugehöriger Krafteinwirkung vergrößert ist, um so das Auflösungsvermögen des Kraftsensors zu verbessern.
Zur Vereinfachung der Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftsensors und zur vereinfachten elektrischen Kontaktierung ist der Membrankörper ein federeiastisches, die zweite Elektrode des Kraftsensors ausbildendes Metallteil. Der Membrankörper ist bevorzugt ein Federstahlblechstreifen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Membrankörper und die Abstandhalter einstückig ausgebildet. Bevorzugt sind die Abstandhalter in den Membrankörper eingeprägt.
Beispielsweise sind die Abstandhalter als parallel zueinander verlaufende Sicken in den als Blechteil ausgebildeten Membrankörper eingeprägt.
Zur verbesserten Kontaktierung und/oder zur sicheren Befestigung des Membrankörpers umfassen die Mittel zur elektrischen Kontaktierung bevorzugt wenigstens einen am
Membrankörper ausgebildeten seitlichen Ausleger. Beispielsweise sind zwei Ausleger an gegenüberliegenden Seiten des Membrankörpers vorgesehen. Der Ansatzpunkt des wenigstens einen Auslegers am Membrankörper also der Übergangsbereich zwischen
Membrankörper und jeweiligem Ausleger liegt beispielsweise im Bereich zwischen den bei- den Abstandhaltern, bevorzugt näher benachbart zu einem der Abstandhalter. Bei zwei Abstandhaltern sind deren Ansatzpunkte bevorzugt zusätzlich zueinander versetzt angeordnet.
„Seitlich" im Sinne der Erfindung meint, dass der Ausleger sich vom Außenumfang des Membrankörpers erstreckt. Bevorzugt erstreckt er sich größtenteils in der durch die flächige Ausgestaltung des Membrankörpers definierten Ebene. Der Ausleger ist beispielsweise vorgesehen, um den Membrankörper mit der Leiterplatte zu verlöten. Der Ausleger verhindert einen zu hohen Wärmeeintrag in den Membrankörper beim Verlöten mit der Leiterplatte.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Grundflächenkörper, bzw. die Leiterplatte, eine Ausnehmung oder Bohrung, bevorzugt eine Durchbohrung, auf und der wenigstens eine Ausleger ist mit seinem freien Ende, beispielsweise mit einem gekröpften Abschnitt, in die Bohrung eingreifend eingesetzt. Dadurch wird ein sicherer Halt des Membrankörpers erreicht. Insbesondere wird eine sichere Vorpositionierung vor dem Verlöten erreicht, so dass ein Verlöten im Reflow-Verfahren, im Wellen- oder Schwallbad ermöglicht ist.
Bevorzugt erstreckt sich der wenigstens eine Ausleger wenig abschnittsweise in Umfangs- richtung des Membrankörpers, um das durch den Membrankörper beanspruchte Bauvolumen zu minimieren. Bei zwei Auslegern erstrecken sich diese ferner bevorzugt in zueinander entgegengesetzte Richtungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens der Membrankörper, bevorzugt der Membrankörper und der wenigstens eine Abstandhalter, noch bevorzugter sind der
Membrankörper, der wenigstens eine Abstandhalter und der wenigstens eine Ausleger als Stanzteil hergestellt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Bedienelement, welches einen kapazitiven Kraftsensor in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sowie ein bewegliches, eine Betätigungs-
fläche definierendes Betätigungsteil, welches auf den Membrankörper einwirkt, sowie eine Auswerteinheit, um eine am Betätigungsteil anliegende Betätigungskraft mittels des kapazitiven Kraftsensors zu messen, aufweist. Beispielsweise weist das Betätigungsteil ferner eine berührungsempfindliche Fläche auf, um eine ortauflösende Berührdetektion durchzuführen, während die Betätigungskraft durch den kapazitiven Kraftsensor gemessen wird. Insbesondere bei dem zuvor beschriebenen, mit Durchbruch versehenen Membrankörper kann dieser Durchbruch vorteilhaft genutzt werden, eine Hinterleuchtung der Betätigungsfläche des Betätigungsteils zu ermöglichen, ohne dass dadurch die konstruktive Auslegung der Messkapazität beeinträchtigt ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich bevorzugte Ausführungsvarianten dar. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Kraftsensors;
Fig. 2: eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1 aus Figur 1 im
„unbelasteten" Zustand;
Fig. 3: eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1 aus Figur 1 unter
Kraftein Wirkung;
Fig. 4: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Bedienelements mit einem
Kraftsensor aus Figur 1 ;
Fig. 5: eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftsensors 1 im„unbelasteten" Zustand;
Fig. 6: eine Darstellung zur Verdeutlichung des Einflusses des Arbeitspunktes auf das Messverhalten des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1.
In Figur 1 ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1 dargestellt und insbesondere wird daraus die Formgebung des Membrankörpers 3 deutlich. Der Membrankörper 3 ist im Wesentlichen als rechteckiger Federstahlblechstreifen ausgebildet. Parallel zu dessen Schmalseiten sind zwei Sicken 4a, 4b in den Membrankörper 3 eingeprägt, die als Abstandhalter 4a, 4b fungieren. Wie in Figur 2 zusätzlich gezeigt, Hegt der Membrankörper 3 ausschließlich über die Abstandhalter 4a, 4b an einem Grundflächenkörper 2 an. Der Grundflächenkörper 2 ist eine Leiterplatte, die ein Leiterplattensubstrat und eine Kupferbeschichtung 7 aufweist. Die zur Leiterplatte gewandte Seite des Membrankörpers 3 und die zum
Membrankörper 3 gewandte Seite der Leiterplatte 2 definieren einen Hohlraum 8, dessen lichtes Maß d in der zur Leiterplatte 2 parallelen Richtung u.a. durch den Abstand der Abstandhalter definiert ist. Der elektrisch leitende, metallische Membrankörper 3 weist einen den Abstandhalter 4a überragenden rechteckigen Abschnitt 5 auf, der ein freies Ende aus- bildet und sich im unbelasteten Zustand, wie Figur 2 zeigt, parallel zum Grundflächenkörper 2 erstreckt. Insbesondere das freie Ende 5 definiert eine erste Elektrode eines Messkondensators 9, der ferner durch eine grundflächenseitige zweite Elektrode 7 definiert ist und dessen Kapazität die Formgebung und damit die Druckbelastung des Membrankörpers 3 widerspiegelt. Die zweite Elektrode 7 wird durch die Kupferbeschichtung auf der Leiterplatte 2 un- terhalb des freien Endes 5 des Membrankörpers 3 gebildet. Die Kupferbeschichtung 7 ist gegenüber dem Membrankörper 3 elektrisch isoliert.
Da der Membrankörper 3 einschließlich der darin ausgeformten Sicken 4a, 4b aus Federstahlblech ausgestanzt sind, ist der Membrankörper 3 elastisch nachgebend und reagiert auf eine senkrechte Kraftbelastung F durch elastisches Durchbiegen. Dadurch verkleinert sich das Hohlraumvolumen 8 einerseits. Andererseits sorgt dieses Durchbiegen zu einem Abheben und Ankippen des freien Endes 5 um eine durch den Abstandhalter 4a definierte Kippkante, wie Figur 3 zeigt. Die Messkapazität des außerhalb des Kraftflusses angeordneten Messkondensators 9 wird verringert und durch eine in den Figuren 1 bis 3 nicht dargestellte Auswerteinheit bestimmt. Zur Lagefixierung und zur elektrischen Kontaktierung des
Membrankörpers 3 beziehungsweise des die erste Elektrode ausbildenden, freien Endes 5 sind zwei Ausleger 6 am Membrankörper 3 ausgebildet. Die Ausleger 6 und der
Membrankörper 3 sind als einstückiges Blechteil aus einem Federstahlblech ausgestanzt, wobei das gesamte Blechteil zusätzlich oberflächenvergoldet ist. Die Ausleger 6 sind an den Langseiten des Membrankörpers 3 im Bereich zwischen den Abstandshaltem 4a, 4b versetzt zueinander angesetzt und erstrecken sich dann in entgegengesetzter Richtung in Umfangs- richtung entlang des Membrankörpers, wobei sie parallel beabstandet zu dessen Außenumfang verlaufen. An ihrem freien äußersten Enden sind sie gekröpft und erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu der durch den Membrankörper 3 definierten Ebene. Die gekröpften Enden sind jeweils in eine durchkontaktierte Bohrung 11 der Leiterplatte 2 eingesetzt und verlötet. Über diese Verlötung kann die erste Elektrode 5 des Messkondensators 9 durch die nicht dargestellte Auswerteinheit elektrisch kontaktiert werden.
Die senkrechte Druckbelastung des Membrankörpers 3 erfolgt bei dem in Figur 4 gezeigten Bedienelement durch ein beweglich gelagertes Betätigungsteil 10, das in der Figur 4 nur bereichsweise dargestellt ist und beispielsweise ein Touchpad zur ortsauflösenden
Berührdetektion trägt. Das Betätigungsteil 10 definiert auf seiner dem Kraftsensor 1 abgewandten Seite eine Betätigungsfläche. Bei Krafteinwirkung wird diese über einen
stößelartigen Fortsatz auf den Membrankörper 3 des in Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschriebenen Kraftsensors 1.
In Figur 5 ist ein Kraftsensor schematisch dargestellt, bei dem der lichte Abstand h des freien Endes 5 des Membrankörpers 3 in der unbelasteten Situation des Kraftsensors 1 einen ge- genüber der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform einen verringerten Abstand zur Leiterplatte 2 und insbesondere zur zweiten Elektrode 7 aufweist. Der lichte Abstand des freien Endes beträgt bei keiner Krafteinwirkung beispielsweise h = 0,10 mm oder weniger, beispielsweise liegt das freie Ende 5 auf. Durch diese Auslegung wird erreicht, dass der Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Kraftsensors in einen Bereich gelegt ist, bei dem das Verhältnis aus Messkapazitätsänderung AC und Hub Ah bei zugehöriger Krafteinwirkung vergrößert ist, um so das Auflösungsvermögen des Kraftsensors 1 zu verbessern. Dies wird anhand der Figur 6 an zwei Ausführungsformen verdeutlicht. Diese unterscheiden sich in dem lichten Abstand zwischen freien Ende 5 und zweiter Elektrode 7 im unbelasteten Zustand des Kraftsensors 1. Eine hohe Annäherung im unbelasteten Zustand hat, wie Figur 6 zeigt, den Vorteil, dass bei gleichem Hub hohe Kapazitätsänderungen AC bewirkt werden. Bewirkt beispielsweise ein durch Krafteinwirkung erzeugter Hub Δχ des freien Endes ausgehend von einem lichten Abstand d2 eine Kapazitätsänderung AC2 , so sorgt, wie dargestellt, bei einem gegenüber dem Abstand d2 betragsmäßig kleineren Abstand d! die betragsmäßig gleiche, durch Krafteinwirkung verursachte Hubänderung Δχ für eine größere Kapazitätsänderung AC3. Die so bewirk- te Arbeitspunktverschiebung des Kraftsensors 1 sorgt letztlich für ein höheres Auflösungsvermögen und/oder höhere Störfestigkeit.
Claims
1. Kapazitiver Kraftsensor (1 ) mit einem Grundflächenkörper (2), einem flächigen, elastisch nachgebenden Membrankörper (3), zwei beabstandet zueinander angeordneten Abstandhaltern (4) zwischen dem Grundflächenkörper und dem Membrankörper (3), wobei sich der Membrankörper (3) über die Abstandhalter (4a, 4b) an dem Grundflächenkörper (2) abstützt und der Membrankörper (3) wenigstens einen der Abstandhalter (4a) und dabei ein freies Ende (5) ausbildend überragt, wobei zwischen dem Membrankörper (3) und dem Grundflächenkörper (2) im Bereich zwischen den Abstandhaltern (4a, 4b) ein Hohlraum (8) ausgebildet ist, um bei einer Krafteinwirkung F auf den Membrankörper (3) im Bereich zwischen den Abstandhaltern (4a, 4b) ein Durchbiegen des Membrankörpers (3) zu gestatten und wobei an dem freien Ende (5) eine erste Elektrode und an dem Grundflächenkörper eine zweite Elektrode (7) vorgesehen ist, wobei erste und zweite Elektrode einen Messkondensator (9) mit sich mit der Krafteinwirkung F ändernder Messkapazität definieren und ferner Mittel zur elektrischen Kontaktierung (6) der ersten und zweiten Elektrode vorgesehen sind.
2. Kapazitiver Kraftsensor (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei der Grundflächenkörper (2) eine Leiterplatte ist und die zweite Elektrode (7) durch eine leitende Beschickung oder eine leitende Schicht der Leiterplatte (5) ausgebildet ist.
3. Kapazitiver Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das lichte Maß (d) zwischen den Abstandhaltern geringer ist als die Länge des freien Endes (5).
4. Kapazitiver Kraftsensor (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit zunehmender, den Membrankörper (3) auf den Grundflächenkörper (2) drückender Krafteinwirkung F sich die Messkapazität verringert.
5. Kapazitiver Kraftsensor (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei keiner Krafteinwirkung sich das freie Ende (5) am Grundflächenkörper (2) abstützt.
6. Kapazitiver Kraftsensor (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das freie Ende (5) bei keiner Krafteinwirkung einen lichten Abstand (h) in seinem zur zweiten Elektrode benachbarten Bereich von maximal 0,25 mm, bevorzugt von maximal 0,1 mm zur zweiten Elektrode (7) einhält.
7. Kapazitiver Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Membrankörper (3) ein federelastisches, die erste Elektrode des Kraftsensors ausbildendes Metallteil ist.
8. Kapazitiver Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Membrankörper (3) und die Abstandhalter {4a, 4b) einstückig ausgebiidet sind.
9. Kapazitiver Kraftsensor (1 ) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abstandhalter (4a, 4b) in den Membrankörper (3) eingeprägt sind.
10. Kapazitiver Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Membrankörper (3) zwischen den Abstandhaltern (4a, 4b) einen Durchbruch aufweist.
11. Kapazitiver Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur elektrischen Kontaktierung wenigstens einen am Membrankörper ausgebildeten seitlichen Ausleger (6) umfassen.
12. Kapazitiver Kraftsensor (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Ausleger (6) sich in Umfangsrichtung des Membrankörpers (3) erstreckt.
13. Kapazitiver Kraftsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens der Membrankörper (3) als Stanzteil hergestellt ist.
14. Bedienelement aufweisend: einen kapazitiven Kraftsensor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ein bewegliches, eine Betätigungsfläche definierendes Betätigungsteil (10), welches auf den Membrankörper (3) einwirkt, sowie eine Auswerteinheit (11), um eine am Betätigungsteil ( 2) anliegende Betätigungskraft F mittels des kapazitiven Kraftsensors (1) zu messen.
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