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Dokumentenidentifikation DE19605041A1 14.08.1997
Titel Anordnung zur Erleichterung des Auflaufens einer rollenden Kugel auf eine aus der Rollbahnebene stufenförmig herausragende Fläche
Anmelder Rowenta-Werke GmbH, 63071 Offenbach, DE
Erfinder Wiedemann, Marcus-Christian, Dipl.-Ing., 64711 Erbach, DE
Vertreter Boecker, J., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.- u. Rechtsanw., 65929 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 12.02.1996
DE-Aktenzeichen 19605041
Offenlegungstag 14.08.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.08.1997
IPC-Hauptklasse G01D 5/00
IPC-Nebenklasse G01D 11/00   G01C 9/08   G01P 15/125   
Zusammenfassung Anordnung zur Erleichterung des Auflaufens einer rollenden Kugel (5) auf eine aus der Rollbahnebene (1) stufig herausragende Fläche (2), beispielsweise einer Kugel, die in einem kapazitiven Lage- und/oder Beschleunigungssensor auf einer Leiterplatte rollend von der Leiterplattenfläche (1) auf eine aus dieser leicht herausragenden Leiterfläche (2) zu rollen versucht. Gemäß der Erfindung ist die herausragende Fläche (2) an einem oder mehreren ihrer Ränder mit Auflauftrichtern (3) versehen, deren Eintrittsbreite der Kugelgröße angepaßt ist und die sich vom Rand (21) der herausragenden Fläche (2) zum inneren Bereich der herausragenden Fläche hin verjüngen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erleichterung des Auflaufens einer rollenden Kugel auf eine aus der Rollbahnebene stufenförmig herausragenden Fläche.

Beispielsweise in kapazitiven Lage- und Beschleunigungssensoren (Neigungssensoren) sind Kugeln vorhanden, die neigungs- oder beschleunigungsbedingt, also unter der Wirkung von Schwerkraft oder Trägheitskraft, auf einer Leiterplatte zu rollen vermögen, auf welcher elektrisch leitende Leiterflächen vorhanden sind, die geringfügig aus dem Oberflächenniveau der Leiterplatte herausragen.

Angesichts der geringen Abmessungen solcher Sensoren und damit der rollenden Kugeln stellen diese kleinen stufenförmigen Erhöhungen eine beachtliche Hürde für die rollenden Kugeln dar. Die Kugeln, die bei geringer Neigung der Leiterplatte nur durch eine kleine Schwerkraftskomponente angetrieben werden, können am Rand der Leiterfläche zum Stehen kommen, da ihre kinetische Energie und die antreibende Schwerkraftskomponente nicht ausreichen, die stufenförmige Hürde zu überwinden.

Die denkbare Möglichkeit, die Leiterflächen an ihrem Rand abzuschrägen oder sie bündig in der Trägerplatte zu versenken, ist kein zweckmäßiger Lösungsweg, da eine solche Maßnahme aufwendig und nicht mit der üblichen Prozeßtechnik bei der Herstellung von Leiterplatten kompatibel wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem System der vorgenannten Art ein leichteres Auflaufen der Kugel auf das stufenförmig höher gelegene Niveau einer aus der Rollbahnebene (Leiterplatte, Trägerplatte) herausragenden Fläche zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Gemäß der Erfindung kann die rollende Kugel in einem Auflauftrichter seitlich aufsetzen und so über eine gewisse Wegstrecke verteilt auf das Niveau der herausragenden Fläche rollen. Die Stufe braucht nicht mehr schlagartig überwunden zu werden, so daß einerseits eine kleinere Antriebskraft zum Erklimmen des höheren Niveaus ausreicht und andererseits ein kinetische Energie verzehrendes Anschlagen der Kugel an die senkrechte Stufenflanke vermieden wird.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind kapazitivem Lage- und/oder Beschleunigungssensoren, insbesondere solche, die in Haushaltskleingeräten, wie zum Beispiel Bügeleisen, eingesetzt werden.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer aus dem Niveau einer Leiterplatte herausragenden Leiterfläche mit Auflauftrichtern gemäß der Erfindung,

Fig. 2 im Schnitt längs der Linie A-A einen Ausschnitt aus Fig. 1 mit einer aufgesetzten Kugel,

Fig. 3 den Neigungswinkel α bei Anlage einer Kugel an einer stufenförmig aus der Rollbahnebene herausragenden Fläche,

Fig. 4 einem Auflauftrichter mit seinen bestimmenden Parametern,

Fig. 5 die Ausgestaltung der Auflauftrichter bei schmalen aus der Rollbahnebene herausragenden Flächen.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte 1 mit einer Leiterfläche 2, die aus dem Niveau der Leiterplatte stufenförmig (rechtwinklig) herausragt. Die Ränder 21 der Leiterfläche sind gemäß der Erfindung mit Auflauftrichtern 3 versehen, deren Öffnungen am Rand der Leiterfläche liegen. Beim Anrollen der Kugel 5 gegen den Rand der Leiterfläche wird die Kugel von einem der Auflauftrichter eingefangen und setzt auf die Ränder (Flanken) des Auflauftrichters auf, längs derer sie das höhergelegene Niveau erklimmt.

Die günstigste Öffnungsbreite b des Auflauftrichters ist diejenige, bei der die Kugel die herausragenden Flanken des Auflauftrichters beim Einlaufen gerade berührt, aber nicht angehoben werden würde, wenn sich der Trichter nach Innen nicht verengen würde. Diese günstigste Öffnungsbreite b hängt vom Radius r der Kugel und der Höhe d des Stufe der herausragenden Leiterfläche ab und ergibt sich aus der Formel



Wenn die Kugel bei fehlenden Auflauftrichtern senkrecht gegen die Stufe der herausragenden Fläche läuft, dann muß sie schlagartig den sogenannten Neigungswinkel α überwinden (siehe Fig. 3). Der Neigungswinkel α ist der Winkel, den die steilste Tangente t im Berührungspunkt p zwischen Kugel und herausragender Fläche (Leiterfläche) mit der Rollbahnebene 1 (Leiterplatte) bildet. Er errechnet sich zu



Wenn dagegen beim Vorhandensein eines Auflauftrichter die die Kugel schräg im Verhältnis zur Kante der herausragenden Leiterfläche rollt, dann kann sie auf einer stetig steigenden Bahn über eine gewissen Wegstrecke verteilt die Leiterfläche erklimmen. Der sogenannt Hangwinkel β ist um so flacher, je schräger die Kugel im Verhältnis zur Kante der Leiterfläche rollt. Der Hangwinkel β ist der Winkel, den diejenige Tangente t im Berührungspunkt p zwischen Kugel 5 und Leiterfläche 2 mit der Rollbahnebene 1 bildet, die in derselben vertikalen Ebene wie die Rollrichtung der Kugel liegt. An Hand von Fig. 3 ist leicht einzusehen, daß die Tangente t um so flacher verläuft, je schräger die Kugel im Verhältnis zur Kante der herausragenden Leiterflächenkante 2a rollt.

Die Flanken f des Auflauftrichters können auch geradlinig ausgebildet sein. Durch den sich verengenden Trichter wird die Kugel jedoch an den seitlichen Berührungspunkten angehoben, wodurch sich der Neigungswinkel α und entsprechend der Hangwinkel ß verkleinern (Fig. 3). Das bedeutet, daß bei geraden Flanken die Bahn, auf der die Kugel die Leiterfläche erklimmt, zuerst relativ steil ist und dann flacher wird. Indem man die Steigung m der Flanken f der Trichter, wie Fig. 4 zeigt, mit zunehmender Koordinate y vergrößert, kann erreicht werden, daß die Rollbahn zum Erklimmen der Leiterfläche eine konstante Steigung (konstanter Hangwinkel) hat. Die Beziehung zwischen den Koordinaten x und y in Fig. 4 ergibt sich für einen gewünschten konstanten Hangwinkel β aus der Formel



Falls die herausragende Fläche nicht genügend breit ist, um die Auflauftrichter mit einer gewünschten Tiefe aufnehmen zu können, ist es in gewissen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei kapazitiven Sensoren, auch möglich, die Auflauftrichter der beiden gegenüberliegenden Seiten der herausragenden Fläche einander überlappend anzuordnen, wie dies Fig. 4 zeigt. Der so entstehende Schlitz 4 hat die Gestalt zweier sich an ihren engen Innenseiten überlappender Auflauftrichter 3a, 3b der oben beschriebenen Art. Die Kugel erreicht dann nicht vollständig das Niveau der herausragenden Fläche. Wegen der geringeren Flächenüberdeckung zwischen Kugel und Leiterfläche sind bei einem kapazitiven Sensor die erwünschten Änderungen von Kapazitätswerten dann geringer. Hierdurch wird zwar die Empfindlichkeit der Sensoren vermindert, nicht aber ihre grundsätzliche Wirkungsweise.

Eine weitere Möglichkeit der Unterbringung der Auflauftrichter bei schmalen herausragenden Flächen besteht darin, die Reihe der an einer Seite der herausragenden Fläche vorhandenen Auflauftrichter um die Hälfte ihrer seitlichen Teilung parallel zu der Reihe der an der gegenüberliegenden Seite vorhandenen Reihe von Auflauftrichter zu verschieben. Durch die gegenseitige Versetzung der Auflauftrichter beider Seiten können die Auflauftrichter etwas tiefer sein, bevor sie gemäß Fig. 5 einander überlappen.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft die Koordinate y der Auflauftrichter senkrecht zum Rand 21 der herausragenden Fläche. Es versteht sich, daß die Koordinate y auch schräg zum Rand 21 verlaufen kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zur Erleichterung des Auflaufens einer rollenden Kugel (5) auf eine aus der Rollbahnebene (1) stufig herausragende Fläche (2), dadurch gekennzeichnet, daß die herausragende Fläche (2) an einem oder mehreren ihrer Ränder mit Auflauftrichtern (3) versehen ist, deren Eintrittsbreite (b) der Kugelgröße (r) angepaßt ist und die sich vom Rand (21) der herausragenden Fläche (2) zum inneren Bereich der herausragenden Fläche hin verjüngen.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsbreite (b) der Auflauftrichter (3) sich aus der Formel



    ergibt, wobei r der Radius der Kugel und d die Höhe der Stufe (2a) am Rand der herausragenden Fläche (2) ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (f) der Auflauftrichter (3) geradlinig und/oder gekrümmt verlaufen.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer konstanten Steigung (konstanter Hangwinkel β) der Bahn, auf der die Kugel die herausragende Fläche (2) erklimmt, die Flanken des Auflauftrichter (3) nach der Formel



    bemessen sind, wobei 2x die Breitenkoordinate und y die Tiefenkoordinate des Auflauftrichters und β ein gewünschter Hangwinkel ist.
  5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Auflauftrichter (3a, 3b) an gegenüberliegenden Rändern (21) der herausragenden Fläche (2) mit ihren Innenbereichen einander überlappen.
  6. 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflauftrichter (3) an gegenüberliegenden Rändern (21) der herausragenden Fläche (2) in seitlicher Richtung (x-Richtung) um vorzugsweise eine halbe Teilung der Auflauftrichter gegeneinander versetzt sind.
  7. 7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Rollbahnebene (1) um eine isolierende Leiterplatte und bei den herausragenden Flächen (2) um elektrisch leitende Flächen auf der Leiterplatte handelt.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in kapazitivem Lage- und/oder Beschleunigungssensoren, insbesondere in solchen, die in Haushaltskleingeräten, wie zum Beispiel Bügeleisen, verwendet werden.






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