BEWEGUNGS- UND LAGEERKENNUNGSSENSOR |
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申请号 | EP11819092.5 | 申请日 | 2011-11-09 | 公开(公告)号 | EP2638555B1 | 公开(公告)日 | 2014-10-01 |
申请人 | Karlsruher Institut für Technologie; Sensolute GmbH; | 发明人 | BLANK, Thomas; HAGER, Marco; HUBER, Dominic; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bewegungssensor sowie dessen Verwendung zur Lage- und Bewegungsdetektion. Bewegungssensoren sind seit mehreren Jahrzehnten bekannt. Sie dienen vornehmlich dem Zweck, einfache Bewegungen zu erfassen. Es gibt sie in unterschiedlichen Varianten, wobei allen gemeinsam ist, dass sie eine leitfähige Kugel oder einen Quecksilbertropfen enthalten. Solche Gerätschaften sind z.B. aus der Aus der Aus der Nachteilig bei den beschriebenen Systemen ist, dass bei Verwendung mehrerer Einzelsensoren eine Vielzahl von Kontaktsäulen entstehen. Dies hat erhebliche produktionstechnische und kostenmäßige Nachteile. Weiterhin ist nachteilig, dass bei den beschriebenen Sensoren ein schneller und paralleler Funktionstest der Einzelsensoren nicht möglich ist. Aus der In der Der Sensor gemäß der Nachteilig bei der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen Bewegungssensor zur Verfügung zu stellen, welcher die beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist. Ziel der Erfindung ist es u.a., einen Bewegungssensor zur Verfügung zu stellen, bei dem die Ansprechschwelle der Empfindlichkeit von Mikro-, Bewegungs- und Lagersensoren in großen Bereichen eingestellt und insbesondere erhöht werden kann. Zum anderen soll erreicht werden, dass die Kugel in dem Sensor in einer definierten Ruheposition liegt. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Bewegungssensor umfassend mehrere plattenförmige Schichten, auf denen Einzelsensoren angeordnet sind und die derart ausgestaltet sind,
Grundsätzlich ist die Zahl der plattenförmigen Schichten je nach Anwendungsbereich wählbar. Erfindungsgemäß bevorzugt wird jedoch ein Aufbau aus drei Platten, d.h. aus Deckel-, Kammer- und Bodenplatte. Die Größe der einzelnen Platten kann stark variieren. Sehr kleine Formate von ca. 40x40 mm2 bis zu großen Formaten von 1000 x 1000 mm2 sind aufbaubar, vorzugsweise sind die Platten aber 300 x 300 mm2 groß. Auf diesen Platten befindet sich eine Vielzahl von Einzelsensoren, die in einer Matrix regelmäßig angeordnet sind. Ein Einzelsensor ist vorzugsweise zwischen 1 mm2 und 20 mm2 groß, besonders bevorzugt 7 mm2 groß. Bei dem erfindungsgemäß bevorzugten Ausbau aus drei Platten umfasst ein Einzelsensor eine Bodenplatte, eine Kammerplatte und eine Deckelplatte. Die Platten sind vorzugsweise eckig, besonders bevorzugt viereckig, höchst bevorzugt rechteckig oder quadratisch ausgestaltet. Die Längen und Breiten der Platten sind vorzugsweise identisch oder annähernd identisch, deren Höhen können jedoch verschieden sein. Die Bodenplatte ist mit elektrischen Anschlussflächen versehen, mit denen der Einzelsensor in einer geeigneten elektrischen Verbindungstechnik (z.B. Löten, Kleben) mit dem Schaltungsträger (z.B. die Steuerplatine eines Gerätes) elektrisch dauerhaft verbunden werden kann. Die Anschlussflächen, z.B. die Lötanschlusspunkte befinden sich auf der einen Seite der Bodenplatte, d.h. deren Unterseite, die von außen zugänglich sein muss. Auf der anderen Seite der Bodenplatte, d.h. deren Oberseite, ist eine elektrische Kontaktfläche mittig angeordnet. Sie dient der Realisierung der sensorischen Funktionalität in dem mit der Kammerplatte und der Deckelplatte gebildeten Hohlraum. Im fertig gebauten Einzelsensor liegt diese Kontaktplatte innen und ist hermetisch von der Umgebung abgeschirmt. Die Kontaktfläche in der Bodenfläche ist über eine Leiterbahn mit einem Lötanschlusspunkt (sogenanntes Lötpad) auf der Unterseite der Bodenplatte verbunden. Die mittlere Platte, die sogenannte Kammerplatte, verfügt über eine Aussparung zur Herstellung des Hohlraums, die vorzugsweise annähernd zylindrisch bzw. zylindrisch ausgestaltet ist. Es sind grundsätzlich auch andere geometrische Formen denkbar. Diese müssen aber so gestaltet sein, dass eine Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen Hohlkammer und Kugel möglich ist. Grundsätzlich sind beliebige Aussparungen denkbar. Ebenso können diese mit allen dem Fachmann geläufigen Verfahren hergestellt werden. Z.B. kann die Kammerplatte durch Fräsen, Bohren, Stanzen oder im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Wesentlich ist in jedem Fall, dass die Aussparung - im Folgenden auch als Bohrung bezeichnet - zur Deckel- und Bodenplattenseite hin jeweils offen ist. Mithin bildet die Aussparung bzw. die Bohrung einen durchgehenden Durchbruch in der Kammerplatte, welche mithin vorzugsweise als kreisrundes Loch ausgestaltet ist. Die Bohrung ist derart angeordnet, dass sie passgenau über der Kontaktfläche der Bodenplatte liegt. Die Kontaktfläche der Bodenplatte ist vorzugsweise demgemäß kreisrund ausgestaltet, damit die Kontaktflächen passgenau aneinander liegen. Die Bohrung der Kammerplatte ist demgemäß in dieser vorzugsweise mittig positioniert. Die Wandung der Bohrung ist elektrisch leitfähig. Beispielsweise kann dies durch eine galvanisch aufgebrachte Metallschicht erreicht werden. Jedoch sind alle anderen dem Fachmann bekannten Methoden zur Herstellung der Leitfähigkeit ebenfalls geeignet. Die Wandung der Bohrung stellt die zweite Kontaktfläche dar und bildet im fertig hergestellten Zustand des Einzelsensors die Innenfläche des Hohlraums, in welchem die Kugel aufgenommen wird. Die elektrisch leitende Kontaktfläche der Bohrung ist mit wenigstens einer vorzugsweise ein oder zwei elektrischen Leiterbahnen versehen, die an die Außenkante des plattenförmigen Einzelsensors geführt sind. Vorzugsweise werden die Leiterbahnen an ein oder zwei Eckpunkte der Kammerplatte geführt. An dem Eckpunkt weist die Kammerplatte eine vorzugsweise kreisförmig ausgebildete Anschlusskontakte auf. Die Kontaktfläche ist elektrisch an die äußere Anschlussfläche (z.B. Lötanschlusspunkt bzw. Lötpad) der Bodenplatte angeschlossen. Die obere Platte, die Deckelplatte verfügt auf ihrer der Kammerplatte zugewandten Ebene über eine ebenfalls vorzugsweise kreisrunde Kontaktfläche. Diese Kontaktfläche wird in Anpassung an die Bohrung der Kammerplatte ausgestaltet. Sofern die Bohrung eine andere symmetrische Form hat, muss demgemäß hier eine Anpassung vollzogen werden. Die Kontaktfläche ist spiegelsymmetrisch zur Kontaktfläche des Bodens angeordnet. D.h. sie ist ebenfalls vorzugsweise mittig der Deckelplatte angeordnet. Ebenso wie die Kontaktfläche des Bodens verfügt auch die elektrisch leitfähige Kontaktfläche der Deckelplatte über einen Anschluss über eine Leiterbahn. Diese ist mit einer Ecke bzw. einem Eckpunkt der Deckelplatte verbunden. Dieser Eckpunkt ist ebenfalls vorzugsweise mit insbesondere als Halbkreis bzw. zylinderförmig ausgestalteten Anschlusskontakten ausgestattet. Diese werden elektrisch mit der vierten bzw. dem dritten Anschlusskontakt auf der Bodenplatte kontaktiert. Die erfindungsgemäß vorzugsweise eingesetzten drei Platten (Bodenplatte, Kammerplatte, Deckelplatte) werden derart laminiert, dass die Kontaktflächen der Boden- und der Deckelplatte konzentrisch übereinander und über den Öffnungen der Bohrung der Kammerplatte positioniert sind. Auf diese Art entsteht ein Hohlraum, welcher durch die Kontaktflächen der Boden- und Deckelplatte sowie die Innenfläche (Innenwand) der Bohrung umschlossen ist. In dem Hohlraum ist eine Kugel frei beweglich angeordnet. Die Innenflächen, insbesondere die Bodenflächen sind als glatte Ebenen ausgestaltet und weisen keinerlei Erhöhungen auf und sind völlig plan ausgestaltet, so dass die Kugel ungehindert frei beweglich ist. Der durch das beschriebene Zusammensetzen von Bodenkammer- und Deckelplatte entstandene Hohlraum kann beliebig geometrische Formen haben. Bevorzugt ist eine zylindrische Ausgestaltung. Die elektrischen Anschlüsse zwischen den Leiterbahnen und den dazugehörigen Lötanschlussflächen (Lötanschlusspunkte, Lötpads) auf der Außenseite der Bodenplatte werden vorzugsweise erst nach der Laminierung der Boden-, Kammer- und Deckelplatte eingebracht, um die Herstellung der Sensoren erforderliche Anzahl der Bohrungen zu reduzieren und so die Herstellungskosten und die Herstellungszeit zu minimieren. Die Herstellung der Leiterbahn erfolgt vorzugsweise in einem in der Leiterplattenbranche üblichen galvanischen Prozess. Aber auch andere Verfahren zur Metallisierung sind denkbar, z.B. Aufdampfen von Metall, Sputtern. Eine Lageerkennung mit einem Bewegungssensor wird möglich, wenn die inneren sensorischen Kontaktflächen des Bodens sowie des Deckels je einen elektrischen Anschlusskontakt besitzen, der an den Außenseiten, vorzugsweise zu den Eckpunkten eines einzelnen Sensors angeordnet ist und dort in eine nach außen liegende Anschlussfläche auf der Bodenplatte mündet. Jede sensorische Kontaktfläche ist genau an einen "äußere" Anschlusskontakt angebunden. Die Anschlusskontakte sind als durch alle plattenförmigen Schichten geführte Kontaktsäule ausgebildet, deren Innenflächen elektrisch leitend sind. Da die Platten vorzugsweise viereckig, besonders bevorzugt rechteckig oder quadratisch sind, wird erfindungsgemäß die Anordnung der Kontaktsäulen an den Ecken bevorzugt. Die sensorischen Kontaktflächen der Bodenplatte haben derart ausgestaltete Leiterbahnen, dass über die Kontaktsäule die sensorischen Kontaktflächen der Deckelplatte nichtleitend mit den Anschlusskontakten (Lötanschlusspunkte) der Bodenplatte verbunden sind. D.h., die Kontaktfläche der Bodenplatte hat eine von der Kontaktfläche der Deckelplatte separat ausgeführte Leiterbahn, die auch separat zu den außenliegenden Lötanschlusspunkten (elektrische Außenpads) auf der Unterseite der Bodenplatte führen. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Leiterbahnen der Bodenplatte eine Verbindung zu einer Ecke und die Leiterbahn der Deckelplatte eine Verbindung zu einer anderen Ecke der jeweiligen Platte herstellen. Damit bildet ein Eckpunkt für die Leiterverbindung der Kontaktfläche zum Eckpunkt der Bodenplatte, während der zweite Lötanschlusspunktpunkt der Bodenplatte die elektrische Verbindung der Leiterbahnen mit der Kontaktfläche der Deckelplatte herstellt. Im Ergebnis sind somit die Bodenplatte und die Deckelplatte nicht elektrisch leitend miteinander verbunden. Für eine Lageerkennung, die auch im statischen Zustand zuverlässig arbeitet, ist es darüber hinaus vorteilhaft, diesen Sensor um eine elektronische Speichereinheit zu erweitern, in dem die letzte Lage des Sensors im Gravitationsfeld zwischengespeichert wird. Selbst, wenn die Kugel nach einem Lagewechsel zur Ruhe kommt und der Widerstand an den äußeren Kontaktflächen hochohmig werden sollte (sei es, dass die Kugel nicht gleichzeitig beide sensorischen Flächen berührt oder zwar beide sensorischen Flächen berührt aber infolge zu geringer Kräfte keinen dauerhaften niederohmschen Zustand aufrecht erhalten kann), kann dem Benutzer die Information über die letzte Lage des Gerätes zuverlässig zur Verfügung gestellt werden. Für eine optimale Produktion der Bewegungssensoren ist es vorteilhaft, die Einzelsensoren mit einer zweidimensionalen Matrixanordnung aneinander zu reihen. Die vorzugsweise viereckig ausgestalteten Einzelsensoren lassen sich demgemäß als Untermatrizen in einer größeren Matrixanordnung verwenden. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise vier Einzelsensoren zusammengefasst. Diese sind als Untermatrizen in einer übergeordneten Matrixanordnung regelmäßig verbunden. Durch die Anordnung der Kontaktsäule an den Eckpunkten ergeben sich die erfindungsgemäßen Vorteile. Die Kontaktsäule hat nämlich an den Eckpunkten eine viertelkreisförmige Ausgestaltung. Durch die Zusammenfügung mehrerer Matrixelemente entsteht an den Eckpunkten eine durchgehende Säule in Form einer vorzugsweise senkrechten Bohrung. Mithin entsteht eine durch alle drei Platten gehende vertikale Kontaktsäule, in welcher die Leiterbahnen der angrenzenden Matrixelemente elektrisch zusammengeführt werden können. Bei der Ausgestaltung in Form von vier Untermatrizen befindet sich die vertikale Kontaktsäule mithin im Zentrum der übergeordneten Matrix. Hierbei kann in der Kontaktsäule jeweils eine Leiterbahn der sensorischen Kontaktfläche der Bodenplatte des einen Matrixelementes, der sensorischen Kontaktfläche der Deckelplatte des anderen Matrixelementes und eine oder zwei Leiterbahnen der Kammerplatte eines oder zweier weitere angrenzender Matrixelemente zusammengeführt werden. Die äußeren Anschlussflächen befinden sich vorzugsweise jeweils im Zentrum der aus parallelen Einzelsensoren zusammengesetzten Matrix. Die sensorischen Kontaktflächen der vier Einzelsensoren werden über Leiterbahnen vorzugsweise elektrisch genau in einer Bohrung im Zentrum der zusammengesetzten Matrix zusammengeführt. Die dort zusammengeführten Leiterbahnen stammen alle von verschiedenen Einzelsensoren, so dass jeweils genau ein Anschluss im Inneren der Matrix verbleibt. Bei dem verwendeten Plattenmaterial handelt es sich vorzugsweise um handelsübliches preiswertes Leiterplattenmaterial. Es kann aber auch jedes beliebige andere Material verwendet werden. Der aus den Platten aufgebaute Bewegungssensor verfügt vorzugsweise über vier sensorisch aktive Kontaktflächen, die in laminierten Plattenverbund alle hermetisch von der Außenumgebung abgeschirmt sind. Bei den Kontaktflächen handelt es sich um die Oberfläche der in die Hohlkammer eingebrachten Kugel, die Oberfläche (die Innenwände) der Bohrung selbst, die Kontaktfläche der Bodenplatte und die Kontaktfläche an der Deckelplatte. Für die Detektion von Bewegungen wird die Hohlraumoberfläche, die Kugeloberfläche und entweder die Kontaktflächen des Bodens oder des Deckels benötigt. Sofern die Kugel gleichzeitig die Innenwand der Kammer und die Kontaktfläche des Bodens berührt, ist der Widerstand zwischen dem an der Innenwandung des Hohlraums angeschlossenen Lötanschluss und dem an der Kontaktfläche des Bodens angeschlossenen Lötanschluss niedrig, meist unter 100 Ohm oft aber auch unter 1 Ohm. Bewegt sich die Kugel in der Kammer infolge einer mechanischen Anregung, werden die beiden sensorischen Kontaktflächen der Kammerplatte und der Bodenplatte durch die Kugeloberfläche nicht mehr überbrückt. Der Widerstand zwischen dem an der Hohlraumwandung angeschlossenen Lötanschluss und an dem an der Kontaktfläche des Bodens angeordneten Lötanschluss ist hoch. Meist liegen die Werte über 10 Megaohm, oft aber auch deutlich über 30 Megaohm. Bei der besonders bevorzugten miniaturisierten Aufbauvariante mit einer Grundfläche der Platten von 7 qmm oder kleiner ist die Kugel i.A. sehr klein und hat einen Durchmesser unter 0,3 bis 2 mm, vorzugsweise 0,5 bis 1 mm ganz besonders bevorzugt unter 1 mm. Damit sind die Auflagekräfte der Kugel sehr gering und es können Zustände eintreten, bei denen die Kugel sowohl die Bohrungswand als auch das sensorische Pad des Bodens (oder des Deckels) gleichzeitig berührt, und dennoch der Widerstand der Anordnung sehr hoch ist (>10 Megaohm). Allein die Gravitationskräfte sind in diesem Fall nicht immer ausreichend, um einen niedrigen Übergangswiderstand an den äußeren Anschlusspads zu garantieren. Hierfür kann eine zusätzliche Kontaktkraft erforderlich sein, die beispielsweise infolge der Beschleunigung (Abbremsen) der Kugel hervorgerufen wird. Durch die Bewegung der Kugel wird das System aktiviert, so dass und die Stromaufnahme steigt an. Im Falle von Vibrationen, z.B. ausgelöst durch einen vorbeifahrenden LKW, kann das Gerät, das sich im tiefsten Stromsparmodus befindet, aufgrund des Sensorimpulses ggf. ungewollt aktiviert werden und somit eine erhöhte Stromaufnahme haben. In einer Variante der Erfindung kann daher die Ansprechschwelle der Empfindlichkeit von Mikro- Bewegungs- und Lagesensoren in Plattenbauweise in großen Bereichen eingestellt und insbesondere erhöht werden. Außerdem kann eine definierte Ruheposition der Kugel und somit eine Schalterposition des Sensors in Vorzugsmontagelage vorgegeben werden. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die innere Oberfläche der Bodenplatte der Hohlkammer modifiziert wird. Diese wird derart ausgestaltet, dass eine Vertiefung, z.B. ein kreisrundes Loch, in den metallischen Teil des Bodenkontakts der Bodenplatte eingebracht wird. In dieser Vertiefung kann die Kugel eine stabile Ruhelage annehmen. Vorzugsweise ist die Vertiefung nur wenige µm tief. Vorzugsweise beträgt die Tiefe 10 µ bis 100 µ, besonders bevorzugt 20 µ bis maximal 100 µ. Durch die Vertiefung wird die freie Bewegung derart behindert, dass ein leichtes Antippen des Sensors nicht mehr ausreichend ist, die Kugel aus der Ruhelageposition heraus zu bewegen und somit eine Signaländerung an den äußeren Messstellen des Sensors zu bewirken. Die Empfindlichkeit des Sensors kann mit dieser einfachen Variante um einen Faktor 10 reduziert werden. Ist die Vertiefung zudem so angeordnet, dass sie. in der Mitte der Bodenkontakte positioniert ist, ist es bei entsprechender zentrischer Anordnung der Hohlkammer um den Kontaktpad herum und bei geeigneten Kugelabmessungen zudem möglich, dass der Sensor in der Ruhelage hochohmig ist. Der Stromverbrauch in der Ruhelage wird auf ein Minimum reduziert. Durch eine entsprechende Verschiebung der Achse der Vertiefung zur Kammer kann erreicht werden, dass der Schalter in der Ruhelage geschlossen ist. Bevorzugt ist, dass die Vertiefung in der Oberfläche der Bodenplatte nicht durch Bohren oder Fräsen hergestellt wird. Vielmehr wird dies vorzugsweise durch Ätzen erreicht. Die Modifikation des Ätzresists kann ohne zusätzliche Fertigungsschritte bei der Herstellung der Bodenplatte erreicht werden. Durch diese Herstellungsart wird zugleich vermieden, dass sich infolge von Bohrprozessen ein Wall an Vertiefungsrand bildet. Die Vertiefung hat vielmehr die Form eines Trichters. D.h. die Fläche der Bodenplatte weist keine Erhöhungen, sondern nur eine Vertiefung auf. M.a.w. die Bodenfläche ist bis auf die Vertiefung völlig plan ausgelegt. Damit werden die Nachteile vermieden, welche bei einer Lage der Kugel auf einem Bohrgrat am Vertiefungsrand entstehen können. Denn hier kann die Kugel nämlich nicht stabil liegen. Hingegen ist es bei einem Bohrrand an der Vertiefung auch möglich, dass die Kugel zwischen Wand und Wandung eine Ruhelage einnimmt, welche nicht erwünscht ist. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung ohne Bohrgrat wird dies vermieden und die Kugel kommt alleine die der Vertiefung in die Ruhelage. Die Anordnung der Einzelsensoren in einer Matrix hat produktionstechnische Vorteile und damit eine kostengünstige Herstellung zur Folge. Die erfindungsgemäße Aufbauform erlaubt insbesondere eine preiswerte Herstellung von Bewegungssensoren in großer Zahl, die neben der Bewegung auch die Lage erkennen, in der sich der Sensor in einem Gravitationsfeld befindet. Durch die spezielle Anordnung der Einzelsensoren in der Matrix mit gemeinsamen Kontaktsäulen kann die Anzahl der Anschlusskontakte deutlich reduziert werden. Sofern die Einzelsensoren in Leiterplattentechnik hergestellt und die Innenflächen der Kontaktsäulen aus galvanisierten Durchkontaktierungen bestehen, kann die Anzahl der für die Herstellung erforderlichen Bohrlöcher durch Mitbenutzung einer Bohrung durch die benachbarten Einzelsensoren deutlich reduziert werden und somit die Herstellzeit und die Kosten signifikant gesenkt werden. Ferner erlaubt die spezielle Anordnung der Einzelsensoren in einer regelmäßigen Matrix den schnellen und parallelen Funktionstest der Einzelsensoren. Die Bewegungssensoren können auch zur Bewegungsdeduktion beliebiger technischer Vorrichtungen verwendet werden. Insbesondere die Bewegung von Bügeleisen, bei denen die Abhängigkeit der Lage und des Bewegungszustandes der Steuerung der Temperatur der Bügelsohle dienen soll, kann der Sensor verwendet werden. Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
Die einzelnen Bezugszeichen in den Figuren haben folgende Bedeutung:
Bei dem in In In Die Kontaktflächen 14 und 15 von Boden 4- und Deckelplatte 2 sind mit Installationsringen 16 versehen. Hierdurch ist die passgenaue Anordnung über der Bohrung 5 der Kammerplatte 3 gewährleistet. Zugleich wird eine hermetische Abschirmung gegen die Umgebung erreicht. In In In In der |