DE102022102893B4 - Sensoreinrichtung zur Erfassung wenigstens einer physikalischen Größe - Google Patents

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Abstract

Sensoreinrichtung zur Erfassung wenigstens einer physikalischen Größe aufweisend ein Gehäuse (100), wenigstens ein in dem Gehäuse (100) angeordnetes Sensorelement, wenigstens eine in dem Gehäuse (100) angeordnete Platine (220) mit einer Schaltungsanordnung und wenigstens eine an dem Gehäuse (100) angeordnete Eingabeeinrichtung zur Durchführung von Eingabeoperationen, die in der Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Sensoreigenschaften verarbeitet werden, wobei die Eingabeeinrichtung zur Realisierung einer berührungssensitiven Wirkung eine an einer Gehäusewand (110) angeordnete, für elektrische Felder durchlässige Betätigungsfläche (130) und eine auf der Platine (200) angeordnete oder als Teil der Platine ausgebildete kapazitive Fläche (220) umfasst, wobei die kapazitive Fläche (220) an einer Kante der Platine (200) angeordnet ist und die Platine (200) senkrecht zur Betätigungsfläche (130) so angeordnet ist, dass die Kante der Platine (200) und die an ihr angeordnete kapazitive Fläche (220) unmittelbar unter der Betätigungsfläche (130) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Fläche (220) an der Kante der Platine (200) durch Metallisieren der Kante der Platine (200) realisiert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Erfassung wenigstens einer physikalischen Größe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Derartige Sensoreinrichtungen werden beispielsweise als Positionsmesssysteme eingesetzt. Solche Positionsmesssysteme erfassen z.B. die Position eines Arbeitskolbens längs einer Zylinderachse eines Pneumatikzylinders. Diese Position wird dabei beispielsweise unter Verwendung des Hall-Effektes erfasst.
  • Eine solche Sensoreinrichtung ist zum Beispiel aus der DE 10 2019 203 878 A1 bekannt. Diese Sensoreinrichtung weist eine Sensorplatine auf, der eine erste Sensoranordnung zur Erfassung einer ersten physikalischen Größe und eine zweite Sensoranordnung zur Erfassung einer elektrischen Kapazität sowie eine Verarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung von Sensorsignalen der ersten Sensoranordnung und der zweiten Sensoranordnung zugeordnet sind, sowie ein Sensorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, in der die Sensorplatine aufgenommen ist, wobei die zweite Sensoranordnung eine elektrisch leitende Sensorplatte umfasst, die in der Ausnehmung aufgenommen ist und die eine Kontakteinrichtung mit einer elastisch ausgebildeten Kontaktfeder aufweist. Die Kontakteinrichtung ermöglicht eine kraftschlüssige und elektrisch leitende Kopplung der Sensorplatte an die Sensorplatine.
  • Die erste Sensoranordnung zur Erfassung der ersten physikalischen Größe kann beispielsweise zur Erfassung einer magnetischen Flussdichte oder einer magnetischen Feldstärke oder einer Temperatur oder dergleichen ausgebildet sein. Um eine Eingabemöglichkeit bereitzustellen, umfasst die Sensoreinrichtung die zweite Sensoranordnung, die zur Erfassung einer elektrischen Kapazität ausgebildet ist. Dies erlaubt die Erfassung eines Bedienwunsches eines Bedieners ohne Verwendung bewegter Teile, wie beispielsweise eines Mikroschalters. Bei dieser Sensoreinrichtung ist die berührungssensitive Sensorplatte in aufwendiger Weise mit Hilfe einer elastisch ausgebildeten Kontaktfeder mit der Sensorplatine verbunden, wobei diese Kontaktfeder eine kraftschlüssige und elektrisch leitende Kopplung der Sensorplatte an die Sensorplatine ermöglicht. Ein solcher Aufbau erfordert nicht nur eine aufwendige Herstellung und Montage, sondern auch einen entsprechenden Bauraum für die Anordnung der Sensorplatte.
  • Aus der DE 10 2010 031 079 A1 geht ein Steuergerät für ein Haushaltsgerät hervor, umfassend: ein Gehäuse mit einer Frontseite mit mindestens einer Öffnung, eine Leiterplatte, die senkrecht zur Frontseite innerhalb des Gehäuses gehalten ist und die mindestens eine Sensorkontaktfläche aufweist, und mindestens einen berührungsempfindlichen Sensor mit einem elektrisch leitfähigen Kunststoffformkörper, der einen Sensorflächenabschnitt aufweist, der auf einer einem Benutzer zuzuwendenden Seite der Frontseite des Gehäuses angeordnet ist, einen streifenförmigen Verbindungsabschnitt aufweist, einen Durchtrittsabschnitt aufweist, der durch die Öffnung der Frontseite des Gehäuses hindurchtritt, und einen Kontaktabschnitt aufweist, der elektrisch mit der Sensorkontaktfläche der Leiterplatte kontaktiert ist.
  • Darüber hinaus existieren Sensoren, bei denen beispielsweise Taster eingesetzt werden. Derartige Taster benötigen ebenfalls viel Platz und weitere Bauelemente. Sie stehen einer immer weiter voranschreitenden Miniaturisierung im Weg. Darüber hinaus verschleißen mechanische Taster und müssen wegen Feuchtigkeit/Wassereintritt abgedichtet werden. In vielen Fällen sind die Taster so klein, dass auch ein Werkzeug, beispielsweise ein Stift, zum Betätigen benötigt wird.
  • Ebenfalls bekannt sind Eingabemöglichkeiten über ein spezielles Einstellwerkzeug, beispielsweise ein Magnet, der von außen berührungslos verschiedene Schaltzustände auf einer im Inneren eines Gehäuses verbauten mit dem Magneten zusammenwirkenden Schaltanordnung ermöglicht. Denkbar sind auch optische Taster, resistive Taster oder kapazitive Taster auf einer eigens dafür vorgesehenen Platine. Optische Taster benötigen jedoch einen Schutz gegen Fremdlicht und Verschmutzungen. Resistive Taster sind empfindlich gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit. Kapazitive Taster, die auf einer eigens dafür vorgesehenen Platine angeordnet sind, sind teuer und verkomplizieren die Konstruktion und den Fertigungsprozess.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung bereitzustellen, bei der ein Benutzer unmittelbaren Einfluss auf eine Verarbeitung von Sensorsignalen in der Sensoreinrichtung nehmen kann, wobei die oben genannten Nachteile überwunden werden sollen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Anordnung der kapazitiven Fläche unmittelbar auf der Platine oder als integraler Teil der Platine und die Positionierung der Platine in dem Gehäuse so, dass die kapazitive Fläche unmittelbar unter einer Betätigungsfläche liegt, die in einer Gehäusewand angeordnet ist, wird ein kompakter, leicht zu realisierender Aufbau erreicht. Insbesondere können zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise eine zusätzliche Sensorplatte oder dergleichen entfallen. Vielmehr wird die kapazitive Fläche direkt auf der Platine oder als integraler Teil der Platine ausgebildet.
  • Diese Anordnung ermöglicht nicht nur einen geringen Platzbedarf, ist auf einfache Weise und insbesondere kostengünstig herstellbar, sie ist auch verschleißfrei gegenüber beispielsweise mechanischen Lösungen. Darüber hinaus zeichnet sie sich durch einen geringen Energiebedarf, beispielsweise gegenüber optischen Lösungen. Sie ist darüber hinaus resistent gegenüber Vibrationen. Darüber hinaus ist sie resistent gegenüber Korrosion. Da die Platine praktisch jegliche Form annehmen kann, beispielsweise eine gerade, eine gekrümmte, eine geschwungene Form und dergleichen, kann die Sensorfläche, die auf der Platine oder als Teil der Platine ausgebildet ist, leicht an gekrümmte oder geschwungene Gehäusekonturen angepasst werden.
  • Dabei ist vorgesehen, dass die kapazitive Fläche an einer Kante der Platine angeordnet ist und die Platine senkrecht zur Betätigungsfläche so angeordnet ist, dass die Kante der Platine und die an ihr angeordnete kapazitive Fläche unmittelbar unter der Berührungsfläche liegen. Durch diese Anordnung der kapazitiven Fläche an der Kante der Platine wird keine Platinenfläche zur Ausbildung der kapazitiven Fläche verbraucht. Die Platinenfläche steht damit voll und ganz der Schaltungsanordnung zur Verfügung.
  • Die kapazitive Fläche an der Kante der Platine ist erfindungsgemäß durch Metallisieren der Kante der Platine realisiert. Auf diese Weise können zusätzliche Bauteile vollständig entfallen, beispielsweise ein Metallstreifen, der an der Kante der Platine angeordnet wird und dergleichen. Die Metallisierung der Seitenkanten ist ein Standardprozess bei der Platinenherstellung, der nur sehr geringe Kosten verursacht. Es werden auf diese Weise keine zusätzlichen Bauteile benötigt, wie dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen der Fall ist. Darüber hinaus kann die metallisierte Seitenkante mit viel kleineren Toleranzen realisiert werden, was kleinere Wandstärken des Gehäuses der Sensoreinrichtung bzw. der für elektrische Felder durchlässigen Betätigungsfläche in der Gehäusewand ermöglicht.
  • Ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse die Gestalt eines länglichen Quaders aufweist, dessen Breite kleiner ist als dessen Höhe und dessen Höhe kleiner ist als dessen Länge derart, dass zwei lange schmale Gehäuseflächen und zwei lange breite Gehäuseflächen existieren und dass die Betätigungsfläche in einer langen schmalen Gehäusefläche angeordnet ist und die Platine parallel zu einer langen breiten Gehäusefläche angeordnet ist. Eine solche Gehäuseform ist insbesondere bei der Positionserfassung der eingangs genannten Pneumatikzylinder sehr vorteilhaft, da dieses Gehäuse in eine entsprechende Ausnehmung am Pneumatikzylinder eingesetzt werden kann. In diesem Falle wird die längliche Platine gewissermaßen hochkant in das Gehäuse eingebaut und ihre metallisierte Kante liegt der langen schmalen Gehäusefläche gegenüber, in der die Betätigungsfläche angeordnet ist. Hierdurch ist auch eine lange Betätigungsfläche realisierbar, die eine entsprechende Variantenvielfalt der Schaltungsmöglichkeiten zulässt.
  • Die Betätigungsfläche ist vorteilhafterweise größer als die kapazitive Fläche, sodass die kapazitive Fläche vollständig in der Betätigungsfläche liegt.
  • Die Betätigungsfläche besteht aus einem Material hoher Permittivität, sodass eine sichere Betätigung auf kapazitivem Wege möglich ist.
  • Die Sensoreinrichtung kann unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Insbesondere kann der Sensor ein Sensor aus der Gruppe: Magnetfeldsensor, Beschleunigungssensor, Temperatursensor, Drucksensor, Durchflusssensor, Helligkeitssensor sein. Besonders vorteilhaft wird die Sensoreinrichtung mit einem Magnetfeldsensor eingesetzt, um die oben bereits erwähnte Erfassung der Position eines Kolbens in einem Pneumatikzylinder unter Ausnutzung des Hall-Effekts zu ermöglichen.
  • Kurze der Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 zeigt eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung und
    • 2 zeigt eine isometrische Seitenansicht einer Platine, die in einer in 1 gezeigten Sensoreinrichtung angeordnet ist.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist schematisch eine Sensoreinrichtung dargestellt, die beispielsweise zur Erfassung einer Position eines Arbeitskolbens längs einer Zylinderachse eines Pneumatikzylinders eingesetzt werden kann. Diese Sensoreinrichtung umfasst ein Gehäuse 100, welches im Wesentlichen die Gestalt eines länglichen Quaders aufweist, dessen Breite B kleiner ist als dessen Höhe H und dessen Höhe H deutlich kleiner ist als dessen Länge L. Der Quader weist abgerundete Stirnseiten 105 auf, sowie zwei lange schmale Gehäuseflächen 110 und zwei lange breite Gehäuseflächen 120. in einer der langen schmalen Gehäuseflächen 110 ist eine Betätigungsfläche 130 angeordnet, die aus einem Material hoher Permittivität besteht. Das Gehäuse selbst kann aus den unterschiedlichsten nichtleitenden Materialien gefertigt sein. In dem Gehäuse 100 ist eine Platine 200 angeordnet, die ebenfalls eine längliche Gestalt aufweist, die an die Dimension des Gehäuses angepasst ist. Auf der Platine 200 sind drei Hall-Elemente 230 angeordnet, die beispielsweise zur Erfassung der Position eines Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit, in der die Sensoreinrichtung angeordnet ist, dienen. Auf der Platine 200 sind darüber hinaus Schalteinrichtungen zur Verarbeitung der Sensorsignale angeordnet (nicht dargestellt). Die Platine 200 weist an einer Kante eine Metallisierung 220 auf. Diese Kante ist im montierten Zustand der Platine 200 der Betätigungsfläche 130 gegenüberliegend angeordnet. Die Platine 200 verläuft dabei parallel zu den langen breiten Gehäuseflächen 120, sie steht senkrecht zu den langen schmalen Gehäuseflächen 110. Die metallisierte Kante 220 liegt dabei unmittelbar unter der Betätigungsfläche 130. Die Betätigungsfläche 130 ist größer als die metallisierte Kante 220 der Platine 200. Zu der Platine 200 führt eine Anschlussleitung 210, die zum einen der Energieversorgung, zum anderen dem Auslesen von Sensordaten dient.
  • Eine Schaltungsanordnung zur Erfassung und Auswertung der Sensorsignale ist in 3 dargestellt. Ein Finger 310 einer Bedienungsperson ist über einer kapazitiven Fläche 315 angeordnet. Die kapazitive Fläche 315 wird durch den sich annähernden Finger 310 beeinflusst. Ein Widerstand 320 dient als ESD-Schutz der nachgeschalteten Schaltung.
  • Es ist an Sampling-Kondensator 330 vorgesehen. 300 stellt einen Sensing-Controller dar, der mit Hilfe des Sampling-Kondensators 330 die Änderung der Kapazität der Fläche 315 erfasst und in eine digitale Information übersetzt. Dabei wird das an sich bekannte „charge transfer acquisition principle“ verwendet. Es sind rein prinzipiell auch andere Verfahren möglich, um die Kapazitätsänderung der Fläche 315 zu bestimmen. Der Sensing-Controller 300 kann sowohl aus diskreten Bauteilen aufgebaut sein, er kann als einzelner integrierter Schaltkreis realisiert sein oder auch integriert in einem Mikrocomputer ausgeführt werden.
  • Die Platine 200 wird also gewissermaßen hochkant in dem Gehäuse 100 angeordnet, sodass die metallisierte Kante 220 der Betätigungsfläche 130 gegenüberliegt. Die Metallisierung der Seitenkanten ist ein Standardprozess bei der Platinenherstellung, der nur sehr geringe Kosten verursacht. Eine zusätzliche Platine, die als Sensorelement dient, erübrigt sich auf diese Weise. Darüber hinaus kann die metallisierte Seitenkante 220 mit viel kleineren Toleranzen realisiert werden, wodurch kleinere Wandstärken des Gehäuses des Positionsmesssystems ermöglicht werden. Die Außenkante kann beispielsweise mit Laserverfahren auf wenige µm genau realisiert werden. Die Metallisierung selbst weist ebenfalls nur Toleranzen im Bereich von wenigen µm auf. Aus diesem Grund kann beim Umspritzen des Sensors mit viel kleineren Wandstärken gearbeitet werden, da die Gehäusewand eine geringere Toleranz ausgleichen muss. Je geringer der Abstand zur kapazitiven Fläche, umso kleiner kann bei gleicher Sensitivität die kapazitive Fläche selbst ausfallen.
  • Aufgrund der Kompaktheit des Aufbaus muss die Leistungsaufnahme und damit die Eigenerwärmung minimiert werden. Die Eingabeeinrichtung einer berührungssensitiven Wirkung in Form der kapazitiven Fläche ist strom- und platzsparend und für die Integration in sehr kleine Positionssensoren besonders geeignet. Zusätzlich zur Bedämpfung kann durch die kapazitive Fläche in Form der metallisierten Kante 220 die Feuchtigkeit der Umgebung gemessen und hierdurch zusätzliche „Condition-Monitoring“-Informationen zur Verfügung gestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die Platine jegliche Form, beispielsweise eine gerade, eine gekrümmte, eine geschwungene Form annehmen kann und damit beliebigen Gehäuseformen gewissermaßen folgen kann.

Claims (5)

  1. Sensoreinrichtung zur Erfassung wenigstens einer physikalischen Größe aufweisend ein Gehäuse (100), wenigstens ein in dem Gehäuse (100) angeordnetes Sensorelement, wenigstens eine in dem Gehäuse (100) angeordnete Platine (220) mit einer Schaltungsanordnung und wenigstens eine an dem Gehäuse (100) angeordnete Eingabeeinrichtung zur Durchführung von Eingabeoperationen, die in der Schaltungsanordnung zur Beeinflussung der Sensoreigenschaften verarbeitet werden, wobei die Eingabeeinrichtung zur Realisierung einer berührungssensitiven Wirkung eine an einer Gehäusewand (110) angeordnete, für elektrische Felder durchlässige Betätigungsfläche (130) und eine auf der Platine (200) angeordnete oder als Teil der Platine ausgebildete kapazitive Fläche (220) umfasst, wobei die kapazitive Fläche (220) an einer Kante der Platine (200) angeordnet ist und die Platine (200) senkrecht zur Betätigungsfläche (130) so angeordnet ist, dass die Kante der Platine (200) und die an ihr angeordnete kapazitive Fläche (220) unmittelbar unter der Betätigungsfläche (130) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Fläche (220) an der Kante der Platine (200) durch Metallisieren der Kante der Platine (200) realisiert ist.
  2. Sensoreinrichtung nach dem vorstehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (100) die Gestalt eines länglichen Quaders aufweist, dessen Breite (B) kleiner ist als dessen Höhe (H) und dessen Höhe (H) kleiner ist als dessen Länge (L) derart, dass zwei lange schmale Gehäuseflächen (110) und zwei lange breite Gehäuseflächen (120) existieren, dass die Betätigungsfläche (130) in einer langen schmalen Gehäusefläche (110) angeordnet ist und dass die Platine (200) parallel zu einer langen breiten Gehäusefläche (120) angeordnet ist.
  3. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsfläche (130) größer als die kapazitive Fläche (220) ist, sodass die kapazitive Fläche (220) vollständig in der Betätigungsfläche (130) liegt.
  4. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsfläche (130) aus einem Material hoher Permittivität besteht.
  5. Sensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sensor aus der Gruppe: Magnetfeldsensor, Beschleunigungssensor, Temperatursensor, Drucksensor, Durchflusssensor, Helligkeitssensor ist.
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