本發(fā)明涉及一種電容式力傳感器，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)基面體以及一個(gè)平面的、可彈性變形的膜片體。在已知的力傳感器中，膜片體通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)隔片緊貼在基面體上，所以膜片體和基面體之間就形成一個(gè)空腔，該空腔分別受膜片體的一側(cè)和基面體的一側(cè)的限制。在向膜片體施力時(shí)，空腔的容積發(fā)生變化。限定空腔的基面體和膜片體表面通常都有一個(gè)金屬層或者涂層，以此構(gòu)成具有測(cè)量電容的測(cè)量電容器的彼此相對(duì)的電極。空腔填入電介質(zhì)，例如空氣。

由于膜片體具有一定的彈性，在力的作用下會(huì)彎曲。因此電極彼此的距離會(huì)發(fā)生變化，受空腔或電極限定的電容器的電容也將產(chǎn)生相應(yīng)的改變。相應(yīng)的電容式力傳感器通常都是電子裝置的一部分，因此已知的做法是，用一塊電路板構(gòu)成基面體和附屬的電極，如從us5,134,886a所知的那樣。這種力傳感器的缺點(diǎn)是，設(shè)計(jì)為在力的作用下彎曲的空腔同時(shí)也影響著測(cè)量電容。因此機(jī)械和電測(cè)量特性會(huì)相互影響。這在電容式力傳感器的機(jī)械或者電設(shè)計(jì)方面是個(gè)缺點(diǎn)。

因此，人們需要可以將機(jī)械耐用性和熱耐用性分開(kāi)設(shè)計(jì)的、同時(shí)具有這兩種特性的電容式力傳感器。這一任務(wù)通過(guò)權(quán)利要求1所述的操作元件得到解決。各有利的設(shè)計(jì)方案分別為從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。需要指出的是，專(zhuān)利權(quán)利要求中單獨(dú)列出的特征可以按任意技術(shù)上合理的方式彼此組合，闡述本發(fā)明的其它設(shè)計(jì)方案。說(shuō)明書(shū)，尤其是結(jié)合附圖的說(shuō)明書(shū)，對(duì)發(fā)明的特點(diǎn)進(jìn)行了額外的闡述和具體化。

本發(fā)明涉及一種電容式力傳感器。根據(jù)本發(fā)明所述的電容式力傳感器具有基面體以及平面的、可彈性變形的膜片體。此外，基面體和膜片體之間還設(shè)計(jì)有兩個(gè)彼此間隔布置的隔片，其中膜片體通過(guò)隔片支撐在基面體上。膜片體至少超出于一個(gè)隔片，并且超出部分構(gòu)成了一個(gè)自由端。在膜片體和基面體之間，隔片之間的區(qū)域中形成有空腔，使得當(dāng)力作用于隔片之間區(qū)域的膜片體上時(shí)，膜片體可以彎曲，并且在自由端上設(shè)計(jì)有第一電極，基面體上設(shè)計(jì)了第二電極，在此，第一和第二電極限定了一個(gè)隨力的作用而變化的測(cè)量電容。例如，測(cè)量電容會(huì)因局部彎曲產(chǎn)生的自由端相對(duì)于第二電極的位置變化而發(fā)生改變。此外，根據(jù)本發(fā)明，還設(shè)計(jì)了讓第一和第二電極產(chǎn)生電接觸的裝置。本發(fā)明意義上的“平面”指的是，有兩個(gè)維度的尺寸明顯比其余維度的大，例如至少大10個(gè)因數(shù)。例如，膜片體在最后所述的維度中尺寸小于2mm，例如1.5或者1.0mm，更優(yōu)選的則是小于1mm，例如0.5mm。膜片體可被設(shè)計(jì)為方形平面結(jié)構(gòu)。

由于采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)，力的作用和測(cè)量電容在空間上有分隔，所以有利于獨(dú)立地對(duì)機(jī)械特性和電特性進(jìn)行設(shè)置。例如，機(jī)械特性是由膜片體的設(shè)計(jì)決定的，例如材料選擇、尺寸、強(qiáng)度、隔片之間的凈尺寸選擇、膜片體和基面體之間的間隔；而電特性則可以通過(guò)自由端突出部分的尺寸、相對(duì)于基面體的方向和距離進(jìn)行調(diào)整。

此外，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器設(shè)計(jì)還允許在膜片體的介于隔片之間的區(qū)域布置一個(gè)缺口。該缺口不影響測(cè)量電容。

在優(yōu)選實(shí)施例中，基面體是一塊電路板，第二電極通過(guò)金屬涂層或者電路板的金屬層形成。本發(fā)明意義上的電路板具有不導(dǎo)電的單層或者多層電路板基質(zhì)，上面或者里面布有導(dǎo)電層，最好是金屬層。而第二電極則布置于，例如膜片體自由端的下方，最好上布置于面向自由端的電路板一面上。根據(jù)另一實(shí)施例，導(dǎo)電層則嵌入電路板基質(zhì)中。而在另一實(shí)施例中，導(dǎo)電層還要覆蓋不導(dǎo)電的保護(hù)漆。例如，金屬層可以是設(shè)計(jì)于朝向膜片體的電路板基質(zhì)表面上的銅涂層。此外，該銅層還可以鍍金。這一導(dǎo)電層或者涂層界定了第二電極，即力傳感器中測(cè)量電容隨力而變化的電容器的至少兩個(gè)電極中的一個(gè)。

隔片之間的凈尺寸最好要小于自由端超出最近隔片的尺寸。因此，彎曲和由此產(chǎn)生的自由端抬起將引起特別大的電容變化。

在電容式力傳感器的另一個(gè)有利實(shí)施例中，隨著將膜片體壓向基面體的力的作用增強(qiáng)，測(cè)量電容將降低，最好是讓自由端之間的距離與力的作用成比例地變大。這樣可在力傳感器測(cè)量范圍的開(kāi)端就達(dá)到高的分辨率。最后，在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下可達(dá)到特別高的操作安全性和抗電磁干擾性。優(yōu)選地，在沒(méi)有力的作用時(shí)，自由端支撐在基面體上。優(yōu)選地，在沒(méi)有力的作用時(shí)，自由端與第二電極相對(duì)的區(qū)域與第二電極維持最大0.25mm的凈距離，最好是最大0.1mm。例如，之前提及的支撐方式可以這樣設(shè)計(jì)：在支撐時(shí)也不會(huì)與第一和第二電極發(fā)生電接觸。這種設(shè)計(jì)方式的優(yōu)點(diǎn)是，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的工作點(diǎn)被移到一區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域，測(cè)量電容變化和行程所構(gòu)成的比例在附屬力的作用下變大，以此改善力傳感器的分辨率。

為了簡(jiǎn)化本發(fā)明力傳感器的制造和電接觸結(jié)構(gòu)，膜片體為構(gòu)成力傳感器第二電極的彈性金屬件。優(yōu)選采用彈簧鋼帶作為膜片體。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，膜片體和隔片是一體的。隔片最好壓入膜片體中。

例如，隔片作為彼此平行的凹槽壓入膜片體板件中。

為了改善接觸狀況和/或者讓膜片體的固定更可靠，電接觸裝置最好至少包括一個(gè)設(shè)置在膜片體上的側(cè)面托架。例如，在膜片體相對(duì)的兩側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)托架。膜片體上至少一個(gè)托架的接頭點(diǎn)，即膜片體和相應(yīng)托架之間的過(guò)渡區(qū)，例如位于兩個(gè)隔片之間的區(qū)域中，最好與一個(gè)隔片靠得更近。如果有兩個(gè)隔片，則其接頭點(diǎn)最好是彼此錯(cuò)開(kāi)布置。

本發(fā)明意義上的“側(cè)面”指的是，托架從膜片體外圍延伸開(kāi)來(lái)。托架最好大部分位于膜片體平面結(jié)構(gòu)所在的平面內(nèi)。托架的作用是，例如，將膜片體與電路板焊接在一起。在與電路板焊接時(shí)，托架可避免過(guò)多的熱量輸入膜片體。

在另一個(gè)實(shí)施例中，基面體或者電路板有一個(gè)缺口或者孔，最好是穿孔，并且至少一個(gè)的托架，其自由端嵌入孔中，例如彎成鉤狀的一段嵌入孔中。這樣可讓膜片體有一個(gè)可靠的支持。尤其是可在焊接之前實(shí)現(xiàn)可靠的預(yù)定位，這樣就可以采用回流焊工藝、在波浪或者波動(dòng)槽內(nèi)進(jìn)行焊接。

至少一個(gè)的托架最好有一小段在膜片體的切線方向中，將膜片體占用的結(jié)構(gòu)體積最小化。如果有兩個(gè)托架，則這兩個(gè)托架最好還要往彼此相反的方向延伸。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，至少膜片體是沖壓件，優(yōu)選地，膜片體和至少一個(gè)的隔片是沖壓件，更優(yōu)選地，膜片體、至少一個(gè)的隔片和至少一個(gè)的托架都是沖壓件。

此外，本發(fā)明還涉及一種操作元件，該元件具有一個(gè)采用上述實(shí)施例之一的電容式力傳感器、可移動(dòng)致動(dòng)件以及估算單元，可移動(dòng)致動(dòng)件限定了一致動(dòng)面且作用于膜片體上，估算單元用以通過(guò)電容式力傳感器測(cè)量操作件上存在的操作力。例如，該致動(dòng)件還可具有一個(gè)觸敏面，以進(jìn)行位置解析性質(zhì)的觸碰探測(cè)，而操作力則由電容式力傳感器測(cè)量。尤其是在之前所述的帶有缺口的膜片體的情形中，可以有效地利用該缺口給致動(dòng)件的致動(dòng)面提供背光，同時(shí)又不會(huì)因此影響測(cè)量電容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，用以下附圖對(duì)發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步解釋。這些附圖僅是示范性的并且僅表示優(yōu)選的實(shí)施例，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的力傳感器實(shí)施例的俯視圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明的圖1中的力傳感器1在“無(wú)負(fù)荷”狀態(tài)下的剖面圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明的圖1中的力傳感器1在力的作用下的剖面圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明帶有圖1所示力傳感器的操作元件的剖面圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的力傳感器1在“無(wú)負(fù)荷”狀態(tài)下的剖面圖；

圖6為闡述工作點(diǎn)對(duì)根據(jù)本發(fā)明的力傳感器1的測(cè)量特性影響的圖示。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的力傳感器1的結(jié)構(gòu)，從中尤其可以明顯看出膜片體3的形狀。膜片體3整體上是一片方形的彈簧鋼帶。膜片體3中壓入了兩條與鋼帶窄面平行的凹槽4a、4b作為隔片4a、4b。如圖2所示，膜片體3僅通過(guò)隔片4a、4b貼緊基面體2?；骟w2是一塊帶有基質(zhì)和銅涂層7的電路板。膜片體3朝向電路板的一面和電路板2朝向膜片體3的一面界定空腔8，其凈尺寸在與電路板2平行的方向上還受到隔片距離的制約。導(dǎo)電的金屬膜片體3有一個(gè)超出隔片4a的方形段5，其構(gòu)成了一自由端，并且如圖2所示，在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下與基面體2平行。尤其是自由端5界定了測(cè)量電容器9的第一電極，此外，該電容器還受到基面?zhèn)鹊牡诙姌O7的限制并且其電容反映了膜片體3的形狀和壓力負(fù)荷。第二電極7由膜片體3的自由端5下方的電路板2上的銅涂層構(gòu)成。銅涂層7對(duì)膜片體3是絕緣的。

由于膜片體3及其內(nèi)部形成的凹槽4a、4b是彈簧鋼板沖壓成的，因此膜片體3具有彈性，對(duì)垂直的力負(fù)荷f會(huì)作出彈性彎曲反應(yīng)。因此，一方面，空腔體積8將縮小。另一方面，這種彎曲會(huì)讓自由端5圍繞隔片4a界定的傾斜邊升起和傾斜，如圖3所示。布置在力線之外的測(cè)量電容器9的測(cè)量電容將降低，并且通過(guò)圖1至3中未顯示出來(lái)的估算單元測(cè)定。膜片體3上構(gòu)造了兩個(gè)托架6用于對(duì)膜片體3或者構(gòu)成第一電極的自由端5進(jìn)行位置固定和產(chǎn)生電接觸。托架6和膜片體3是一體的板件，采用彈簧鋼板沖制而成，整個(gè)板件的表面還額外進(jìn)行了鍍金處理。托架6彼此錯(cuò)位地布置于隔片4a、4b之間膜片體3的長(zhǎng)邊側(cè)上，然后往膜片體的切線方向，在彼此相反方向延伸，且與膜片體外圍平行隔開(kāi)。托架在其自由端的最末尾是彎曲的并且整體上與膜片體3所確定的平面垂直。彎曲的末端分別插入并焊接于電路板2的電鍍通孔11中。焊接后測(cè)量電容器9的第一電極5可與未顯示的估算單元產(chǎn)生電接觸。

膜片體3的垂直壓力負(fù)荷在圖4所示操作元件中由可移動(dòng)安裝的致動(dòng)件10產(chǎn)生，該致動(dòng)件在圖4僅局部顯示并且?guī)в杏糜谶M(jìn)行位置解析觸碰探測(cè)的裝置，例如觸控板。致動(dòng)件10在其背離力傳感器1的一面構(gòu)造了一個(gè)操作面。在力的作用下，該操作面通過(guò)槌狀突起作用到圖1至3所述力傳感器1的膜片體3上。

圖5概要地示出這樣一種力傳感器：在力傳感器1處于無(wú)負(fù)荷的情況下，和圖1所示實(shí)施例相比，膜片體3的自由端5至電路板2，特別是至第二電極7的凈距離h更小。在力的作用小的時(shí)候，自由端的凈距離為，例如h＝0.10mm或者更小，例如自由端5靜止。采用這種設(shè)計(jì)方式可達(dá)到的效果是，根據(jù)本發(fā)明的力傳感器的工作點(diǎn)被移到一區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域，測(cè)量電容變化δc和行程δh所構(gòu)成的比例在附屬力的作用下變大，以此改善力傳感器1的分辨率。這一點(diǎn)可利用圖6用兩個(gè)實(shí)施例闡明。這兩種實(shí)施例的區(qū)別在于，力傳感器1處于無(wú)負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，自由端5和第二電極7之間的凈距離。如圖6所示，無(wú)負(fù)荷狀態(tài)中，高會(huì)聚度的優(yōu)點(diǎn)是，在行程相同的情況下可引起大的電容變化δc。例如，若力的作用產(chǎn)生的自由端行程δx引起了從凈距離d2開(kāi)始的電容變化δc2，則如圖所示，在距離d1的數(shù)值小于距離d2的情況下，數(shù)值相同的、因力的作用而引發(fā)的行程變化δx會(huì)帶來(lái)更大的電容變化δc3。由此引起的力傳感器1工作點(diǎn)位移最終將帶來(lái)更高的分辨率和/或者更高的抗干擾性。