Einsatz eines einschraubbaren piezoelektrischen Kleinkraftsensors bei einer Taktilen-Prüfung.

Einsatz eines einschraubbaren piezoelektrischen Kleinkraftsensors bei einer Taktilen-Prüfung.Kistler

Geräte und Bauteile werden zunehmend miniaturisiert und müssen dabei immer mehr Funktionalität aufweisen. Im Bereich der Elektronik setzen Hersteller auf mehr und mehr kleinformatigere, technische Geräte und Bedienelemente, was im Hinblick auf neue Formfaktoren und gleichbleibende Qualität hohe Herausforderungen an die Produktion stellt. Soll die Bedienung für kompakte und miniaturisierte Geräten zufriedenstellend und erfolgreich sein, müssen Haptik und Funktionalität auf engstem Raum optimal zusammenspielen.

Eckdaten

Piezoelektrische Kraftsensoren von Kistler lassen sich durch ihre schlanke kleine Bauform mit Gewindeanschluss einfach in Messmaschinen integrieren. Sei eignen sich durch hohe Genauigkeit, ausreichenden Überlastschutz und weiten Messbereich besonders für Qualitätsprüfungen miniaturisierter elektromechanischer Komponenten.

Alles auf Knopfdruck

Zentrales Element von Smartphones ist der Home-Button, der unterschiedliche Funktionen ausführen muss und den Nutzer zielsicher und zuverlässig durch das Menü navigieren soll. So kann ein Klick die Anwendung schließen, während ein Doppelklick ein Menü öffnet und ein Gedrückthalten wiederum mit einer anderen Funktion belegt ist. Der Bedienungsschalter einer elektronischen Handbremse im Auto muss zuverlässig dafür sorgen, dass diese aktiviert wird, damit ein geparktes oder am Hang stehendes Auto nicht wegrollt. Der Fahrer muss sich darauf hundertprozentig verlassen können.

Eine Fehlfunktion der Handbremse kann zur Gefährdung von Leben der Verkehrsteilnehmer, mit Sicherheit aber zum Vertrauensverlust beim Fahrzeuglenker führen. Damit verbunden kann die Fehlfunktion eines kleinen Schalters schnell wirtschaftlich fatale Folgen für den Hersteller haben. So musste der Technologie-Gigant Apple nach einem Defekt der Standby-Taste seines Modells iPhone 5 den Tastenmechanismus aller betroffenen Geräte auf eigene Kosten austauschen.

Eine Sache des Gefühls

Genauso wichtig wie die Funktionalität – im Hinblick auf ein zufriedenstellendes Nutzererlebnis – ist die mit der Betätigung verbundene Haptik. Das Gefühl bei der Bedienung muss den Erwartungen des Nutzers entsprechen. So reicht es nicht, wenn der Home-Button nur funktioniert, er muss dem Nutzer auch signalisieren, dass er erfolgreich betätigt wurde. Das Gefühl resultiert aus einer haptischen Rückmeldung (in taktiler, hörbarer oder sichtbarer Form) die dem Nutzer signalisiert, dass die Funktionalität gewährleistet ist.

Mit der schlanken Bauform lassen sich mehrere Kraftsensoren dicht nebeneinander anordnen oder sehr kleine Bedienelemente beziehungsweise mehrere Kontaktpunkte auf einem Element prüfen.

Mit der schlanken Bauform lassen sich mehrere Kraftsensoren dicht nebeneinander anordnen oder sehr kleine Bedienelemente beziehungsweise mehrere Kontaktpunkte auf einem Element prüfen.Kistler

Dem Autofahrer vermittelt ein einheitliches Bedienkonzept ein sicheres Fahrgefühl und ein hohes Qualitätsempfinden: Obwohl sein Fahrzeug aus Komponenten unterschiedlichster Zulieferer zusammengesetzt ist, müssen sich alle Schalter einheitlich bedienen lassen und den Erwartungen des Bedieners in Bezug auf den nötigen Kraftaufwand entsprechen. Hierbei können durchaus auch Unterschiede in der Kraftaufwendung signalisieren, welcher Schalter betätigt wurde. Die Handbremse eines Autos oder auch das Betätigen der Warnblinkanlage lassen sich in der Regel schwerer bedienen als beispielsweise ein Fensterheber oder Scheibenwischer.

Qualitätsprüfung

Jeder Anwender vertraut bei Betätigung eines Schalters darauf, dass das gewünschte Ergebnis eintritt. Eine hundertprozentige Qualitätssicherung muss durch die Prüfung von Haptik und Funktionalität gewährleistet sein. Nur durch eine konsequente Kontrolle jeden einzelnen Schalters kann sichergestellt werden, dass fehlerhafte Teile frühzeitig aussortiert werden. Bei der Qualitätsprüfung misst ein Sensor den Kraftaufwand bei der Betätigung eines Schalters. Anhand des gemessenen Kraft-Wegverlaufs erfolgt eine Beurteilung in gut oder schlecht. Entsprechende Schlechtteile können sofort aussortiert werden. Dies resultiert nicht nur in Hundertprozent-Qualität, sondern reduziert auch die Produktionskosten erheblich, da fehlerhafte Teile nicht mehr weiterverarbeitet werden. Um Messungenauigkeiten etwa durch Biegemomente auszuschließen, sollten die Krafteinleitungsfläche am Sensor und damit auch der Sensor selbst so klein wie möglich sein. Die Größe des Messelements spielt eine wichtige Rolle bei der Prüfautomatisierung, da hier oftmals nur wenig Platz für die Integration verfügbar ist. Wie lassen sich nun kleinste Kräfte mit hoher Genauigkeit messen?

Der Kleinkraftsensor 9217A von Kistler mit 23,3 mm Länge und 6,1 mm Durchmesser erfasst Kräfte von -20 N bis zu 200 N.

Der Kleinkraftsensor 9217A von Kistler mit 23,3 mm Länge und 6,1 mm Durchmesser erfasst Kräfte von -20 N bis zu 200 N.Kistler

Anforderungen an Prüfsensorik

Die zunehmende Miniaturisierung stellt die Produktionsprüfung vor eine Herausforderung, denn in Folge der höheren Bauteildichte wird es sehr eng für den Einsatz von Prüfsensorik. Kernanforderungen an letztere sind vor allem kleine Bauform, hohe Genauigkeit, ausreichender Überlastschutz und geeigneter Messbereich. Im Trend der Miniaturisierung müssen die Sensoren so klein sein, dass auch dicht beieinander liegende Tasten geprüft werden können. Hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit sind bei der Qualitätssicherung essenziell wichtig für die Produktqualität und stellen später ein angenehmes Benutzererlebnis sicher. Prüfsensorik sollte ausreichend überlastsicher sein, um im Falle eines falsch eingelegten Bauteils keinen Schaden zu nehmen, was einen Prüfmittelaustausch zur Folge hätte. Für kleine Bedienkräfte bei Geräten des täglichen Lebens liegt der geeignete Kraftmessbereich zwischen 0,1 und 500 N.

Klein und präzise

Die piezoelektrische Kleinkraftsensorik von Kistler misst mit kleinsten Krafteinleitungsflächen auch bei der Prüfung von Schaltern und Tasten sehr präzise, wiederholgenau und mit hoher Auflösung. Gleichzeitig sind die Sensoren robust, überlastsicher und damit vergleichsweise langlebiger als Sensoren mit anderen Messprinzipien. Einer der weltweit kleinsten Kraftsensoren ist mit gerade einmal 23,3 mm Länge und maximal 6,1 mm Durchmesser in der Lage, Kräfte von -20 N bis zu 200 N zu messen.

Piezoelektrische Kleinkraftsensoren sind Sensoren mit Dehnungsmessstreifen (DMS) im Preis- Leistungsverhältnis überlegen. Während DMS-Sensoren mithilfe von Adaptern in die Produktionslinien eingegliedert werden müssen, sind piezoelektrische Kleinkraftsensoren direkt über ein Außengewinde in eine Montageplatte einbaubar. Die Konstruktion von komplizierten und somit teuren Aufnahmeelementen entfällt und es lassen sich mehrere Sensoren auf engstem Raum anordnen.

Die Zukunft wird kleiner und dank einer neuen Generation von miniaturisierter Prüfsensorik können Hersteller auch für kleinste Geräte sorgfältig geprüfte Qualität liefern.