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Bei immer kleiner werdenden Bauteilen müssen auch Kleinkraftsensoren (Bildmitte am grünen Kabel) zur Qualitätssicherung platzsparend und kompakt gebaut sein. Bild: Kistler
Trend zur Miniaturisierung

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Perfektion bis ins kleinste Detail

Text: Stefan Schäfer, Kistler
Seit Jahren gibt es den Trend zur Miniaturisierung: Geräte und Bauteile werden immer kleiner, müssen dabei aber immer mehr Funktionalität aufweisen. Besonders fällt diese Entwicklung in der Elektronik auf. Hier heißt es dann: Qualitätssicherung mit Kraftsensorik auf engstem Raum.

Hersteller setzen auf immer kleinformatigere, technische Geräte und Bedienelemente. Dies stellt hohe Herausforderungen an die Produktion, denn es muss gewährleistet werden, dass alle hergestellten Bauteile eine gleichbleibende Qualität aufweisen. Dabei muss sich die Produktion immer wieder auf die geänderten Formfaktoren einstellen lassen.

Smartphones, unsere täglichen Wegbegleiter, weisen mit ihrem kompakten und minimalistischen Design, eine hohe Funktionalität auf kleinstem Raum aus. Gleiches gilt mittlerweile auch für das Armaturenbrett eines Autos: Hier müssen auf immer kleiner werdenden Flächen eine Vielzahl von Anzeigen und Bedienelementen mit unterschiedlichen Aufgaben untergebracht werden, die trotz kleinster Bauweise große Verantwortung tragen. Für die beiden genannten Beispiele gilt: Soll die Bedienung zufriedenstellend und erfolgreich sein, müssen Funktionalität und Haptik optimal zusammenspielen. Beide Themen werden im Nachfolgenden anhand der genannten Beispiele thematisiert.

Alles auf Knopfdruck – Funktionalität

Zentrales Element von Smartphones ist der Home-Button. Er muss er in der Lage sein, unterschiedliche Funktionen auszuführen. 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 zu 100 Prozent verlassen können. Eine Fehlfunktion kann zur Gefährdung von Leben der Verkehrsteilnehmer, sicher aber zum Vertrauensverlust beim Fahrzeuglenker führen. Damit verbunden kann eine Fehlfunktion eines kleinen Schalters schnell wirtschaftlich fatale Folgen für den Hersteller haben.

Eine Sache des Gefühls – Haptik

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 funktioniert, er muss dem Nutzer auch signalisieren, dass er erfolgreich betätigt wurde. Das Gefühl resultiert in einer haptischen Rückmeldung in taktiler, hörbarer oder sichtbarer Form. Diese stellt sicher, dass der Nutzer durch ein Signal entsprechend darüber in Kenntnis gesetzt wird, dass die Funktionalität gewährleistet ist. Dem Autofahrer vermittelt ein einheitliches Bedienkonzept ein sicheres Fahrgefühl und ein hohes Qualitätsempfinden: Obwohl sein Fahrzeug aus Komponenten unterschiedlicher 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.

100 Prozent Prüfung, 100 Prozent Präzision

Jeder, der einen Schalter betätigt, vertraut darauf, dass nach Ausführung das gewünschte Ergebnis eintritt: Die 100-Prozent-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/Schlecht. Entsprechende Schlechtteile können sofort aussortiert werden. Dies resultiert nicht nur in 100-prozentiger Qualität, sondern reduziert auch die Produktionskosten, da fehlerhafte Teile nicht mehr weiterverarbeitet werden. Um eine genaue Messung sicherzustellen und Messungenauigkeiten durch zum Beispiel Biegemomente ausschließen zu können, sollte die Krafteinleitungsfläche am Sensor – und somit der Sensor selbst – so klein wie möglich sein. Die Größe des Sensors spielt auch eine wichtige Rolle bei der Prüfautomatisierung, da hier oftmals nur ein geringer Platz für die Integration des Sensors zur Verfügung steht. Wie ist es also möglich, auch kleinste Kräfte mit hoher Genauigkeit zu messen?

Es verringert sich nicht nur der für die Bauteile verfügbare Platz, sondern infolgedessen auch der Platz für die Mess-Sensoren. Die Miniaturisierung stellt daher Kernanforderungen:

  • Kompakte Bauweise: Um mit dem Trend der Miniaturisierung von Bauteilen mit immer kleineren Schaltern mithalten zu können, müssen die Sensoren auch dicht beieinander liegende Tasten prüfen können.

  • Hohe Genauigkeit: Sowohl für die Produktqualität als auch für ein angenehmes Benutzererlebnis sind hohe Mess- und Wiederholgenauigkeit bei der Qualitätssicherung wichtig.

  • Hohe Überlast: Sensoren, die im Falle eines falsch eingelegten Bauteils der höheren Last nicht gewachsen sind, können beschädigt werden.

  • Weiter Messbereich: Kleine Bedienkräfte für Alltagsprodukte werden in der Regel im Bereich zwischen 0,1 und 500 N gemessen.

Sensoren mit kleinsten Krafteinleitungsflächen

Geringer Platz und hohe Genauigkeit stellen große Anforderungen an die Sensorik. Eine fortgeschrittene technologische Entwicklung ermöglicht es, diese Anforderungen zu erfüllen: die piezoelektrische Kleinkraftsensorik. Die winzigen Instrumente messen mit kleinsten Krafteinleitungsflächen auch bei der Prüfung von Schaltern und Tasten präzise, wiederholgenau und mit hoher Auflösung. Gleichzeitig sind die Sensoren robust, überlastsicher und damit langlebiger als andere Sensoren. Der weltweit kleinste erhältliche Kraftsensor ist bei einer Bauhöhe von gerade einmal 23,3 Millimeter und einen maximalen Durchmesser von 6,1 mm 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. Zudem können bei dieser Befestigungsart mehrere Sensoren auf engstem Raum angeordnet und der Prüfablauf, zum Beispiel einer eng aneinander liegenden Tastenreihe, ermöglicht werden.

Die Zukunft wird kleiner – doch dank einer neuen Generation von hochentwickelten elektronischen Helfern sind Hersteller in der Lage, auch für die kleinsten Anwendungen neue Maßstäbe zu setzen.

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