JP2003523584A - Contact sensor device and method - Google Patents

Contact sensor device and method

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JP2003523584A JP2001560942A JP2001560942A JP2003523584A JP 2003523584 A JP2003523584 A JP 2003523584A JP 2001560942 A JP2001560942 A JP 2001560942A JP 2001560942 A JP2001560942 A JP 2001560942A JP 2003523584 A JP2003523584 A JP 2003523584A
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ダーレィ アンドリュー
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    • G06F3/045Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using resistive elements, e.g. a single continuous surface or two parallel surfaces put in contact

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Abstract

(57)【要約】 接触センサは少なくとも2つの導電性部材を有しており、これらの部材は支持領域で互いに支持され合っている。これらの部材のうち少なくとも1つの部材はエラストマから成り、部材間の接触抵抗を測定することができる。この接触抵抗は支持領域における圧力に少なくとも依存する。導電性部材の少なくとも1つは導電性のセル状密閉発泡材料から成る。 (57) Abstract A contact sensor has at least two conductive members, which are supported by each other in a support region. At least one of these members is made of an elastomer, and the contact resistance between the members can be measured. This contact resistance depends at least on the pressure in the support area. At least one of the conductive members is comprised of a conductive cellular hermetic foam material.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 本発明は、発明者にBjoern MagnussenおよびCyril Valfortが列記され、19
99年12月10に提出された、「接触センサ」(Taktilsensor)という名称の
ドイツ国特許明細書第1995703.0号(代理人文書番号99P5844D
E)に優先権を主張するものである。 【0002】 発明の背景 本発明は接触センサ装置と、この装置を作動させる方法に関する。タッチセン
サとも称される接触センサの基本原理は、オブジェクトと、この接触センサの感
知表面である接触領域との間のコンタクトを測定することである。産業における
圧力または力センサとは異なり、加えられる力に直接に比例するセンサ信号は不
要である。むしろ大きな領域または異形の領域をコスト的に有利にカバーするこ
とが一般的に重要視される。 【0003】 大きな領域の接触センサを実現するため、基本的に4つのアプローチがいまま
でに示されている。1つのアプローチでは、接触領域は、いくつかの点で可動に
支持された固定のプレートであり、この結果、力が加えられると、スイッチング
コンタクトが作動される。強度も圧力の位置も測定することができず、またタッ
チ領域が大きい場合には、センサに対して高い感度を達成することができない。
別のアプローチでは、接触領域は、気密のスリーブに配置される弾性的かつ通気
性の材料で覆われ、空気圧センサがこの気密のスリーブ内にはめ込まれる。この
アプローチでは、力の負荷を空間的に分解することはできない。さらに別のアプ
ローチでは、容量性または圧電原理にしたがって、圧力を感知するメンブランが
接触領域わたって張られる。このアプローチでは一般的に力の負荷の変化しか検
出できない。またさらに別のアプローチによれば、メンブランタイプの圧力セン
サにおいて、導電性のプラスチック材料がインターディジタル構造体に適用され
、これにより接触領域の圧力が増加すると、2つのくし形電極間の抵抗が減少す
る。例えばカバーと絶縁のためにさらなる層を使用することも可能である。メン
ブランタイプの圧力センサは、作製に比較的コストがかかってしまう。 【0004】 先行技術によるアプローチのさらに別の例は、MicroTouch Systems社のカタロ
グに記載されており、ここでは抵抗センサ原理にしたがって動作するライティン
グパネルが示されている。このために下側の薄いポリエステル層が剛性の高い支
持体に固定されており、その上に上側の薄いポリエステル層が締め付け固定され
ている。この上側のポリエステル層には張力が加えられており、下側のポリエス
テル層からギャップによって離隔されている。これらの2つのポリエステル層の
互いに向き合う面は導電性材料でコーティングされている。上側のポリエステル
層に圧力の負荷がかかると、このポリエステル層は、下側のポリエステル層に押
圧され、電気的なコンタクトが閉じられ、この位置を決定することができるので
ある。 【0005】 本発明の課題は、簡単な構造を有し、汎用かつコスト的に有利な接触センサを
提供することである。この課題は、本発明の接触センサにより、またこれを作動
する方法により解決される。 【0006】 1つの実施形態によれば、接触センサは、少なくとも2つの導電性の部材を有
し、これらは共通の支持領域において一方が他方の上に配置されている。したが
ってこれらの部材は、支持領域において互いに他に機械的にコンタクトしている
。少なくとも2つの導電性の部材のうち、少なくとも1つの部材は、導電性のエ
ラストマ材料からなる(エラストマ部材と称する)。このエラストマ材料は、弾
性的かつ導電性である。このエラストマ部材に力Fの負荷が加わると、その結果
、このエラストマ部材は他方の部材に対して押圧され、圧力にさらされた支持領
域の部分(コンタクト領域と称する)のコンタクト抵抗または表面境界コンダク
タンス(surface transition conductance)が変化する。コンタクト抵抗は一般
的にコンタクト領域と、加えられる圧力とに依存するが、これに対してエラスト
マ部材の内部体積体における電気的なコンダクタンスは、機械的な負荷にわずか
にしか依存しない。通例、コンタクト領域が大きければ大きいほど、また圧力が
高ければ高いほど、コンタクト抵抗は減少する。 【0007】 メンブランタイプの圧力センサとは異なり、本発明のこの接触センサは、2つ
の部材間の付加的に拡張されたただ1つの支持領域しか必要としない。MicroTou
ch社のセンサとは異なり、本発明の部材は機械的に締め付ける必要はない。本発
明によれば、部材間の機械的な支持において、複雑な距離の設定も行なう必要が
ない。さらにメンブランタイプの圧力センサおよびMicroTouch社製のセンサとは
異なり、本発明の接触センサの支持領域は、平らな形状に限定されない。さらに
この接触センサの場合には支持領域を構造化する必要もない。部材および支持領
域は切り抜き部を有することも可能である。いくつかの実施形態に対しては、部
材のうちの1つをエラストマ部材から作製すれば十分である。別の材料は、例え
ば金属、例えば金属シートまたはフォイルから作製することができる。しかしな
がらこのような装置により、空間的な分解とフレキシビリティとが制限されるこ
とになる。 【0008】 本発明により、力が加わったことは、例えば、コンタクト領域を通る電流、ま
たはコンタクト抵抗が考慮された抵抗値を測定することによって測定可能である
。このために上記の部材は、例えば電極を有することが可能である。電圧の負荷
および/またはコンタクト抵抗の測定は、例えばこれらの部材に接続された電極
、例えばエラストマに組み込まれた電極によって行うか、またはこれらの部材と
の別の電気的なコンタクト手段によって行うことができる。電気的なコンタクト
手段を、以下では制限にならない限りで電極と称する。抵抗の総和は、殊に、電
極から部材までの境界抵抗(transition resistance)と、部材に沿ったまたは
部材を通る直列抵抗と、一方の部材と他方の部材とのコンタクト抵抗とによって
測定される。与えられたコンタクト状況に対する合成抵抗は、機械的なそれぞれ
の構成毎に既知であり、その結果、求めようとするコンタクト抵抗を計算するこ
とが可能である。適切に回路を構成すれば、外部の力の強度についての情報の他
に、コンタクト領域の位置およびその大きさを決定することも可能である。 【0009】 本発明の実施形態のさらなる詳細、機能および利点は、以下の図面に関連して
記載されている。 【0010】 図面の簡単な説明 図1は、本発明の1実施形態による接触センサTを示しており、 図2は、図1の接触センサTの簡略化された等価回路図を示しており、 図3は、本発明の別の実施形態による接触センサTを示しており、 図4は、図3の接触センサTの簡略化された等価回路図を示しており、 図5a〜5cは、慣用のインターディジタル構造Iを有する、本発明の実施形
態の接触センサを示しており、 図6は、本発明の実施形態による接触センサTに加わる負荷Fに対して、A/
Dポート6における圧力を示しており、 図7〜10は、本発明の種々異なる実施形態にしたがって様々に形成された接
触センサTの実施形態を示しており、 図11は、本発明の1実施形態にしたがい、種々のパラメタを決定するために
マイクロコントローラに接続される、図1の簡略化された接触センサTを示して
おり、 図12は、図11の構成に示された様々なパラメタを決定するのに有利な接触
センサの簡略化された等価回路図である。 【0011】 実施形態の詳しい説明 以下に説明するように本発明の接触センサは、極めて簡単に構成され、かつそ
のためにコスト的に有利に作製できるという利点を有する。さらに耐久性があり
、衝撃に対して強く、容易に変形可能である。一方が他方の上に載置される少な
くとも2つの部材は、エラストマ材料から構成されると有利である。それはこの
ようにすれば比較的わずかな力の負荷だけで、測定可能な変化がコンテクト抵抗
に生じるからである。これによってセンサ信号の良好な感度が得られ、また空間
的に分解することが可能である。さらにこのようなセンサはフレキシブル、軽量
かつ安価である。 【0012】 本発明の実施形態によれば、接触センサは、エラストマ材料が発泡材料、殊に
独立気泡かつ導電性の発泡材料、殊にZOATEFOAMS製品ファミリに属するEVAZOTE
(登録商標)発泡材料であり有利である。発泡材料、殊にEvazote発泡材料から
なる接触センサの1つの利点は、その表面によって衝撃保護が得られることであ
る。この結果、例えば、この接触センサに人間が衝突すると、衝撃エネルギーの
大部分が軟らかいセンサ材料にすでに分け与えられることになる。したがって怪
我の程度はより軽くなる。衝突が大きな斜めの衝撃角度で頻繁に発生する場合、
2つの発泡材料平行6面体を、例えば数センチの間隔で複数のホットメルト接着
点を使用することによって固定することも可能である。これによってセンサの感
度は低減するが、例えば人間を検出するために使用可能な比較的大きな接触領域
の場合には制限にはならない。 【0013】 Evazote発泡材料は別の利点も有する。例えばEvazote材料は、不活性かつ軽量
であり、しばしば使用される既知のポリウレタン発泡材料よりも剛性および引裂
強さが高い。さらにこの発泡材料はエネルギーを大いに吸収し、その温度耐性、
化学的耐性および水に対する耐性も有利である。これを加工するためにはよく知
られた手法を使用することができ、容易に熱成形することも可能である。金属が
Evazote発泡材料によって腐食されることはなく、またこの発泡材料は紫外線(
UV)に対して高い安定性を示す。さらにEvazote発泡材料は、約100Ω/m
の低い電気的内部抵抗を有する。これに対して表面抵抗は、圧力のかからない状
態において、高いインピーダンスに相応して極めて高い。圧力の負荷がかかる場
合、これは数キロオーム以下にまで下がる。このため、Evazote発泡材料はコス
トをかけてコーティングする必要がないのである。 【0014】 エラストマ材料、例えばEvazote発泡材料は、種々異なる厚さのプレートの形
態で利用可能である。説明と評価とを簡単にするため、少なくともエラストマ部
材が均一な形態で、殊に平面6面体で設けられていると有利である。しかしなが
ら別の幾何学形状、例えばハーフシェル形、三角形または箱形も可能である。孔
の開いた部材、例えば切り抜き部またはスロットを有する部材を使用することも
可能である。接触センサの材料の厚さおよび支持領域の大きさは、測定精度およ
び信号感度に影響を及ぼす。反応特性は、エラストマ部材の大きさの決定と、広
い制限内で適合化される電気回路のタイプとによって調整可能である。 【0015】 より小さな検出閾値を設定することが所望される実施形態では、2つの部材の
間に中間層を挿入すると有利であり、例えば、電気的に絶縁性を有する、孔の開
いた層が挿入され、2つの部材間の距離が保持される。 【0016】 実施形態によっては、各エラストマ部材が少なくとも1つの電極を有し、これ
が相応するエラストマ部材に押圧されると有利である。コンタクト圧力によって
、電極とエラストマ部材との間の障害となる境界抵抗が最小化される。このコン
タクト圧力は、例えば、クリップ、ねじおよびクランプによって外部から加える
ことができ、またはエラストマ部材に電極を挿入して例えば溶接または接着して
固定することにより圧力下の置くことによって内部的に加えることができる。 【0017】 電圧の場を均一に印加しかつ評価を簡略化するためには、例えば各平行6面体
部材において電極が支持領域に平行にはめ込まれると有利であり、ここでこれは
殊に側面領域の長さ全体にわたってはめ込まれる(エッジ電極)。この場合、2
つの平行6面体の電極を、互いに平行に配置するか、または電極の各対が互いに
所定の角度でずれているように、殊に電極の第1対と、電極の第2対とが90°
ずれているように配置することができる。例えば、平行6面体の部材の底面領域
が(x,y)平面内にあり、この底面領域に支持領域が含まれる場合、側面領域
は、z成分を有する面のうちの1つ、例えば(x,z)平面または(y,z)平
面になる。この場合、支持領域とは反対側の部材の領域を、接触領域として使用
可能である。 【0018】 一般的に腐食しない任意の導電性材料は、電極用材料として有利であり、殊に
エッジ電極として使用するのに有利である。しかしながらこの電極材料が、接触
センサのアクティブな、すなわち変形可能な領域においてフレキシブルであれば
有利である。例えば螺旋状に巻回したワイヤはこの領域において有利である。そ
れはこれらが問題なしに変形に耐え、また広い限界内で長さの変化に耐え、その
際に過度に大きな引張力を生じることがないからである。ワイヤメッシュは殊に
有利であり、これは通常、耐高周波ドアのコンタクト材料として使用される。こ
のワイヤメッシュは、その直径に対して横断方向に、またワイヤに沿う圧力に対
して弾性を示す。導電性を有するようにされたプラスチック(ラバーコードなど
)も考えられ得るが、この場合、付加的に生じる電気抵抗を一般に考慮に入れな
ければならない。 【0019】 エラストマ材料に関連する境界抵抗を可能限りに小さく保つため、エッジ電極
の適用は注意して行うべきである。これを適用するために電極は有利にはエラス
トマ材料に対して押圧され、これによって境界抵抗が最小化される。迅速かつ有
利な組み込みのためには、エラストマの平行6面体の側方領域に沿って移動可能
な装置が有利である。この装置はガイド部を有しており、エラストマのエッジを
精確にスライドする。刃がこのガイド部の中央に配置されており、数ミリメート
ルの深さまで発泡材料を切り開く。このようにして作製したスロットに、相応す
る電極を挿入する。このために電極材料の出てくるガイド部が、刃の後ろにはめ
込まれている。このガイド部、例えば小さなチューブの効果は、電極を最大限の
幅でスロットに挿入できることである。このガイド部の後ろでこのツールの横方
向のガイド部は細くなっており、これによって、電極とエラストマ材料との間の
境界抵抗を低くするために必要な横方向の圧力が形成される。狭くなった領域に
は溶接ユニットも配置されている。これは例えば赤外線放射器または高温のロー
ラを有しており、刃によって設けられたスロットを溶接する。横方向のガイド部
の狭められた部分は十分な長く設計され、これによってエラストマ材料を強力に
冷却している間であってもこの狭められた部分が維持されるようにする。圧力下
で溶接されるエラストマ材料は、電極材料に連続的な圧力を及ぼし、この結果、
一定かつ低い境界抵抗が得られる。 【0020】 電極の位置および形状には制限がない。例えば、各部材の反対側のコーナにお
ける2つの点電極も可能である。しかしながら少なくとも2つの電極を各部材の
対向する面にはめ込むこと、殊に支持領域と横方向に接する側方領域に沿っては
め込むことは有利である。 【0021】 いくつかの実施形態によれば、複数の電極が接続されて抵抗値の電気的な組み
合わせが得られ有利である。殊に接触センサを設計して、境界抵抗が直列抵抗よ
りも格段に小さくすると有利である。ここでこの直列抵抗は、コンタクト抵抗R
sよりも格段に小さい。抵抗測定に対して有利であり、かつ制限にならないのは
つぎの2つの手法を使用することである。(1) 既知または測定可能な電圧を
電極に加えて、電流を直接または間接的に、例えば抵抗の両端における電圧降下
から測定する。択一的には所定の電流を定めて、電圧を直接または間接的に測定
することも可能である。(2) 決定すべき抵抗と、測定可能な抵抗とから分圧
器を形成し、これによって抵抗を電圧比から決定することができる。この場合、
比較用の抵抗も、部材それ自体の一部から形成することが可能である。 【0022】 接触センサの動作のためには、第1部材と第2部材とをそれぞれ別個の電圧に
接続すると有利である。例えば接触コンタクトの強度を測定するためには、両方
の部材が互いに向き合う電極の対を有し、動作電圧が第1部材の電極対に加えら
れ、別の部材の電極対が接地されると有利である。電極の一方の対が正の動作電
圧に、また電極の別の対が負の動作電圧に接続することも可能である。 【0023】 この接触センサによれば、電圧差を少なくとも第1部材に加え、第2部材をA
/Dポートに接続することも有利であり得る。例えば、コンタクト領域の位置を
測定するためには、電圧差をエラストマ部材、殊に発泡材料の平行6面体に加え
ると有利である。この結果、このエラストマ部材は分圧器として動作し、これに
よって構造が簡単であるという利点が得られ、また少なくとも1つの方向におい
て、加えられた力の位置を決定することができる。 【0024】 位置決定に対しては、一方のエラストマ部材における電極対の一方の電極を電
圧に接続し、この電極対の他方の電極を未接続にし、同時に他方のエラストマ部
材における電極対を、コンタクト抵抗の大きさの測定に対するのと同じように接
続する、例えば、抵抗とA/D変換器とを介して接地することも可能である。全
抵抗を測定した後、上記の一方のエラストマ部材における電極の接続を交換して
再び測定を行う。全体抵抗の2つの測定値を比較し、これによってわかるのは、
より低い抵抗値を有する電極がコンタクト位置により接近していることである。
同様の接続の交換は、相応する別のエラストマ部材に対しても行うことができる
。例えば電極対が90°回転される2つのエラストマ部材が使用される場合、加
えられた力をxおよびy方向に分解することができる。 【0025】 外部圧力負荷の範囲を測定するためには、エラストマ部材内に電圧差がある場
合、電流を測定すると有利であり、これは例えば圧力負荷の位置に加えて行われ
る(上記を参照されたい)。この場合、両端に電圧が生じているエラストマ部材
を通る電流は、加えられる力の増大と共に増加する。それは、別のエラストマ部
材が広い範囲で並列に接続されているためにその抵抗が電極間で減少するからで
ある。この電流の変化は、例えば抵抗の両端の電圧を測定することによって測定
される。この手法では、別のエラストマ部材の少なくとも1つの電極が接続され
ていないことが必要であるが、それに接続される回路、例えばアナログ−ディジ
タル変換器の点からは、入力側がハイインピーダンスを有することが有利なこと
もある。 【0026】 Evazote発泡材料製の2つの発泡材料平行6面体からなる接触センサの典型的
な測定範囲は、0.04N(識別限界)〜5N(飽和限界)であり、また例えば
別のケースでは0.5N(識別限界)〜50N(飽和限界)である。組み合わさ
れた測定範囲は、例えば2つの接触センサを組み合わせることによって達成され
、これは一方を他方の上に配置することによって行われる。(0.75m×1m
)の大きさを有する接触センサは、位置決定の場合、通例、約±1%以上の良好
な測定精度を有しており、この精度ではフィルタリングとノイズリダクションと
によって改善される。 【0027】 組み合わされた回路装置も使用可能である。一般的には最も簡単な場合、ほぼ
点状のコンタクトが存在し、その抵抗は圧力の負荷があると低減する。圧力の負
荷がかかる場合に付加的なコンタクト点が生じるか、コンタクト領域が拡大する
と、コンタクト抵抗Rの平均値が形成され、これは全コンタクトの重心を表す
。この場合、重心の領域だけでなく、個々のコンタクト点における圧力または有
限のコンタクト領域が結果に影響する。したがってコンタクト領域の位置がどこ
であるかを示すことができる。これは殊に平行6面体の殊に発泡材料からなる部
材の場合である。上記の位置測定手法およびその変形の種々異なる平均化アルゴ
リズムに起因して、以下に説明するように、これらの測定を組み合わせることに
よりコンタクト形状についてのさらなる情報を導き出すことができる。 【0028】 電子回路はセンサデータを評価するのに有利である。この電子回路は極めて小
さく構成することができ、殊にセンサのエラストマ材料に組み込むことができる
。電極のドライブ、例えば電圧の印加はマイクロコントローラによって行うこと
ができる。センサデータの評価、例えば力の負荷が加わった位置および1つまた
は複数の方向における分路抵抗の測定は、同様にマイクロコントローラによって
実行することができる。さらにこのマイクロコントローラは、コンタクト抵抗R
sを介する電流測定の、抵抗を介する接続に使用可能である。 【0029】 接触センサは、種々異なる実施形態による接触情報を決定するために一般的に
使用可能であり、これは以下にさらに説明する。しかしながら本発明の機能およ
び動作をさらに詳しく説明するために、2つの平行6面体発泡材料プレートを使
用する接触センサを有する実施形態をここではより詳しく説明する。この実施形
態にしたがい、図1では接触センサTが斜視図で示されている。この接触センサ
は、第1部材1と第2部材2とからなり、各々はEvazote材料からなる平行6面
体発泡材料プレートの形態をとっている。わかりやすくするためにこれらの2つ
のプレート1,2はこの図では互いに接触していないが、実際の接触センサTで
はこれらは支持領域において一方が他方に載置されている。 【0030】 図1に示した実施形態からわかるように、((x,y)平面内の)支持領域に
垂直に接する、互いに向き合う((y,z)平面内の)2つの側方領域には、電
極3がそれぞれ支持領域に平行に、相応する側方領域の全長にわたってはめ込ま
れている。同様に電極4の対が、第2発泡材料プレート2の((z,x)平面内
の)側方領域に平行にはめ込まれている。電極4のこの対は、電極3の別の対に
対してz軸のまわりに90°だけ回転されている。 【0031】 力Fを加えることの可能な接触領域は、第1発泡材料プレート1の支持領域か
ら遠い方の面である。第1発泡材料プレート1の2つの電極3には共に5Vの電
圧が加えられている。第2発泡材料プレート2の電極4は両方ともR=10KΩ
の抵抗5を介してアースGに接続されている。さらにアナログ/ディジタルポー
ト6が電極4に接続されており、このポートはA/D変換器の入力側に接続する
ことができる。発泡材料1,2間の電位差によって、電流が支持領域を通して流
れる。この電流は、例えばA/D変換器を介して、例えばマイクロコントローラ
に接続可能であり、または抵抗5における電圧測定装置によって測定可能である
。 【0032】 発泡材料プレート1,2の内部抵抗および電極3,4と発泡材料プレート1,
2との間の境界抵抗は、接触領域の変形にほとんど依存しないため、電流の大き
さはもっぱら発泡材料プレート1,2間のコンタクト抵抗によって決定される。
外部の力が加わると、2つの発泡材料プレート1,2は互いに他に押圧され、こ
れによってコンタクト抵抗Rsが変化し、原則的には減少する。この結果、電流
が増加してコンタクトを識別することができるのである。 【0033】 図2には図1の接触センサTの簡略化された等価回路図が示されている。抵抗
のチェーンW1には動作電圧U=5Vが印加されている。このチェーンは、可能
な限りに小さな2つの抵抗Reを有しており、これは電極3と発泡材料プレート
1との間の境界抵抗に等しい。これらの間に接続されているのは内部抵抗Rf1お
よびRf2であり、これらは発泡材料プレート1の内部抵抗を表しており、分圧器
として動作する。類似の構造(Re/Rf3/Rf4/Re)を有する抵抗の別のチェ
ーンW2が、直列でR=10KΩの外部の抵抗5を介してアースGに接続されて
おり、またA/D出力側6に直接接続されている。抵抗の2つのチェーンW1お
よびW2は互いに抵抗Rsを介して接続されており、これはコンテクト抵抗に相
応する。抵抗Rsは、加えられる力に依存する。 【0034】 わかりやすくするためにこの等価回路図は、ただ1つの点状のコンタクトの場
合を表す。Rsは最大の抵抗であるため、この回路装置の全抵抗はもっぱらRsに
よって決定される。内部抵抗Rf1,…,Rf4によって測定誤差が生じ、これはコ
ンタクト個所が既知であれば補償可能である。 【0035】 コンタクト抵抗Rsを測定するためは、発泡材料プレート1,2毎にただ1つ
の電極3,4または抵抗のチェーンW1,W2を使用すれば十分である。この場
合には、電極3,4を反対の側にはめ込むことが有利である。それはこれによっ
てこの装置の位置に対する任意の依存性が打ち消されるからである。 【0036】 別の実施形態にしたがい、図3では、力が加えられた位置を決定するために回
路装置が図1のそれと異なる接触センサTが示されている。第1発泡材料プレー
ト1の電極3,31,32は、ここでは異なる2つまでの動作電圧に接続されて
おり、すなわち第1電極31ではU=5Vに、また第2電極32ではアースGに
接続することによってU=0Vに接続されている。これにより、5Vの電圧降下
ΔUが第1発泡材料1内でx方向に生じ、これによって相応する電流がこの材料
に発生する。 【0037】 接触領域に力が加わると、2つの発泡材料プレート1,2間のコンタクト抵抗
が小さくなる。第2発泡材料プレート2は、コンタクト点において第1発泡材料
プレート1の電位であるとみなされる。複数のコンタクト点および/または比較
的大きなコンタクト領域が生じる場合、コンタクト抵抗の平均値が形成され、こ
れはすべてのコンタクトの重心を表す。この場合、重心の領域だけでなく、個々
のコンタクト点における圧力が結果に影響を及ぼす。 【0038】 択一的な位置決定は、電極3の対である電極31,32のうちの1つだけを電
圧に接続することによって実現される。この場合、電極4の別の対は図1のよう
に接続される。全抵抗を測定した後、電極3の上記の1対である電極31,32
の接続の仕方が交換され、全抵抗が再度測定される。全抵抗の2つの測定値を比
較することによってわかるのは、より小さな抵抗値を有する電極31,32がコ
ンタクト位置により接近していることである。しかしながらこの手法は、位置決
定において上記の手法よりも精度が劣る。 【0039】 図3に示した回路装置によって、コンタクトが強められた領域の大きさ、すな
わちコンテクトサイズを決定することも可能である。2つの発泡材料プレート1
,2の接続の仕方は互いに交換することができることはいうまでもないことであ
る。 【0040】 図4には図3の接触センサTの簡略化された等価回路図が示されており、ここ
では2つのコンタクト点が、圧力に依存する2つの抵抗Rsによって表されてい
る。小さなコンタクト領域に相応する、ただ1つのコンタクト点があるとすると
、第1発泡材料プレート1の全抵抗は、2・Re+Rf1+Rf2+Rf3として計算
される。2つのコンタクト点に圧力がかかっている場合には比較的大きなコンタ
クト領域に相応して、この全抵抗は、2・Re+Rf1+Rf2+Rf3+Rf2/(2
・Rs+Rf5/(Rf4+Rf6+2・Re))であり、したがってただ1つのコンタ
クト点の場合よりも格段に小さい。両端に電圧降下が生じる第1発泡材料プレー
ト1の抵抗を測定することによって、コンタクト領域について、例えばコンタク
ト領域における変化、または較正後には絶対的なコンタクト領域を知ることがで
きる。 【0041】 コンタクト領域の2次元的な測定も同様に可能であり、これは、例えば別の方
向に電圧降下を生じさせることによって行われる(例えば、電極4が(x,y)
平面内で90°だけ回転して配置された別の発泡材料プレート2を使用する)。 【0042】 別の実施形態では、接触センサは、図5aに示したような回路基板Cにデポジ
ットされた導電性の発泡材料層Sを使用する。この回路基板Cは発泡材料Sの方
を向いた面に、咬合する2つのくし形構造の形態のインターディジタル構造Iが
プリントされている。発泡材料Sにおいて力Fが増すと、2つのくし形構造間の
電気抵抗が減少する。図5bには平面図で、インターディジタル構造Iと電極E
とを有する回路基板Cが示されている。図5cには、図5aの接触センサに関連
する等価回路図が示されてり、これは力または圧力に依存する抵抗Rを含む。 【0043】 実施形態にしたがい、図6では、部材1,2の材料特性を変更した場合に図1
による接触センサTのセンサ信号を示しており、ここでこの接触センサTは、Ev
azote発泡材料からなる発泡材料プレート1,2を有する。2つの発泡材料プレ
ート1,2の(図1および3のz方向における)厚さ(3mm,6mm,20m
m)が変更され、発泡材料も変更される(45CNおよび85CN、ここで数字
は密度を、また「CN」は導電性の設計を示している)。圧力信号に相応する、
A/Dポート6におけるアナログ信号は、A/D変換器に供給され、このA/D
変換器は、アナログ信号を2=256値(=「8ビットA/Dユニット」)に
したがいディジタルの8ビット信号に変換する。この8ビット信号が縦軸にプロ
ットされている。横座標には、この接触センサの接触領域に加えられる外部の力
FがNで示されている。 【0044】 この線図から明らかであるのは、Evazote EV45CN発泡材料からなる厚さ
3mm(正方形)および6mm(ひし形)を有する発泡材料プレート1,2に対
してほぼ同じセンサ信号が得られることであり、このセンサ信号は、比較的小さ
な力の区間F=[≒0;1]Nにおいて鋭敏に反応し、比較的大きな力F>1Nに
対して飽和値に収束する。20mmの厚さ(三角形)に対しては、F≒2.5N
ではじめてこの飽和値に到達する。EvazoteEV85CN発泡材料(クロス形)
の場合、小さな力F<1Nに対して感度は低く、これに対して比較的大きな力F
>1Nに対して感度は高い。 【0045】 したがって図示の力の領域をカバーするためには、例えば2つの厚さを有する
発泡材料プレート(3mmまたは6mmと20mmとの)の組み合わせが有利で
あり、これは例えば2つの接触センサTを積み重ねることによって構成される。 【0046】 上で述べたように、本発明の特定の実施形態によれば、上記の位置測定手法お
よびその変形の種々異なる平均化アルゴリズムを使用して、これらの測定の組み
合わせからコンタクト形状についての情報を導き出すことができる。図11には
図1の簡略化された接触センサTが示されており、本発明の実施形態にしたがい
、これは以下の表1に示した種々異なるパラメタを決定するためにマイクロコン
トローラ100に接続されている。さらに図12には、接触センサTの簡略化さ
れた等価回路図(150は1つのコンタクトが行われる場合、155は2つのコ
ンタクトが行われる場合)が示されており、ここでこの接触センサは、図11の
構成に対して表1に示した種々のパラメタを決定するのに有利である。 【0047】 図11に示されているように、表1で前提とされているのは、接触センサTが
2つの発泡材料層を有することであり、これらの層はそれぞれその上に2つの電
極を有する(例えば矩形の接触センサに対して)。各電極は、電子式のドライバ
に接続されており、これは電極電圧を測定することができ、0Vまたは5V(ま
たは別のあらかじめ定められた電源電圧)またはハイインピーダンスを加えるか
、または既知の抵抗を介して電極に0Vまたは5Vを加えることができる。これ
はマイクロコントローラ100の2つの多目的ピンを使用することによって実現
される。マイクロコントローラのこれらのピンはそれぞれ、ハイまたはローまた
はハイインピーダンスを出力することができる。ポートがハイインピーダンスで
ある場合、これはアナログ入力側としても使用可能である。これらのポート(以
下ではポートOと称する)のうちの1つを抵抗を介して別のポート(以下ではA
Nと称する(このポートだけがA/D変換器機能を要する))に接続し、またポ
ートANをセンサの電極に接続することによって、必要な電子回路が得られる。
ポートの数は電極に相応する(AN/O1およびAN/O2は上層の電極用であ
り、AN/O3およびAN/O4は下層の電極用である)。合計してこれにより
=6561個の測定が可能であり、それぞれの構成において0〜4のアナロ
グ測定が利用可能である。 【0048】 表1の凡例は次の通りである: A=アナログ入力 H=5V出力 L=0V出力 Z=ハイインピーダンス X=ドントケア O=HまたはL。 【0049】 すべての測定においてつぎのパラメタは交換可能である。すなわち、HとL、
レフトとライト、フロントとバック、上層と下層は交換可能である。 【0050】 【表1】 【0051】 【表2】 【0052】 【表3】 【0053】 【表4】 【0054】 【表5】 【0055】 【表6】 【0056】 【表7】 【0057】 表1には、測定可能な情報の種類と相応に決定された種々のパラメータに関す
る1つの特有の実施形態が単に例示として示されている。同様の分析は方形の接
触センサのほか(玩具用に使われる可能性のある半端な形状の接触センサなどよ
うな)他の実施形態のためにも用いることができる。 【0058】 一般に、異なる感度レンジをもつ複数の接触センサを積み上げることができる
。これに加えて、異なる材料特性(密度、導電率など)および/または異なる厚
さをもつ2つよりも多くの異なる発泡材料を設けることも可能であり、その目的
は感度を高め、接触センサ装置の測定レンジを拡げることである。シンプルな実
施形態のために、接触センサは連続的な金属領域と導電性エラストマ部材から成
るようにすることができる。しかしながらこの実施形態の場合には、複数の方向
で直線的な電圧降下を生じさせることはできない。このような配置構成が好適で
あるのはとりわけ、接触センサを装備すべき装置にすでに金属領域が存在する場
合である。このような装置であれば(絶縁なく)金属領域を同時に複数のセンサ
のために用いることもできる。たとえば金属領域を車両のアースとすることがで
きる。 【0059】 もっと複雑な実施形態の場合、エラストマ部材はたとえば3次元に成形された
部材として使用したり形成したりすることができる。したがって1つの特有の実
施形態の場合、エラストマ部材各々を比較的大きなブロックから鋸引きにより形
成することができ、たとえばカッティングワイヤ装置を用いてこれを行うことが
できる。この事例ではたとえば少なくとも2つのエラストマ部材を同時に形成す
ることができ、これによってカッティングによる屑が抑えられる。別の実施形態
によれば各エラストマ部材を複数のプレートを合わせて接合して形成することが
でき、その結果として導電接続が形成される。このようにすれば接触センサに丸
みを帯びた形状またはエッジの付けられた形状をもたせることができ、そのエッ
ジにおいてもセンサ原理は維持される。なお、この種のセンサが角張った形状ま
たはエッジの付けられた形状に限定されるものではないことは自明である。さら
に別の実施形態によれば、各エラストマ部材を専用に形成された型にいれること
ができ、たとえばこれは注入または発泡によって行うことができる。これにより
形状に関して非常に高い自由度を得ることができる。別の実施形態によれば、接
触センサを他の様々なセンサたとえば別の接触センサと貼り合わせることができ
る。この目的で市販の両面粘着テープが適しており、これによって接合が確実に
行われる。熱溶融型接着剤を使った接合も同様に可能であるが、この場合には壊
すことなく分離するのが難しい。複数のセンサを接合するのであれば、互いに確
実に電気的に絶縁することにも注意を払わなければならない。電気的に絶縁作用
のあるプラスチック層たとえば発泡層を表面に塗布し、この層に付加的に装飾作
用や摩耗抑圧作用をもたせるのもよい。 【0060】 1つの特有の実施形態である図7aには接触センサTの斜視図が示されており
、これはたとえば清掃ロボットの側面に取り付けることができる。輪郭つまり接
触センサTは、適用対象領域すなわち清掃ロボットに適合されている。2つのエ
ラストマ部材1,2の間に、規則的に孔の設けられた非導電性の中間層7(たと
えばネットまたはボンディングポイント)が挿入されている。この膜によって検
出閾値が高められる。接触センサTはさらに切り欠き8を有している。このよう
な切り欠きは実施形態に応じて必要とされる可能性がある(この事例ではたとえ
ば切り欠きをロボットのバッテリに対する再充電コネクタのため、およびソナー
センサの「窓」のために使うことができる)。 【0061】 図7bには、図7aによる接触センサTの第1部材1(左側)と第2部材2(
右側)がそれぞれ対応する電極3,4とともに示されている。この場合には2つ
の部材1,2の側面領域における電圧降下は均等ではないので、たとえば較正に
よって位置測定を補正するのが有利である。とはいえ清掃ロボットのような実施
形態のためには、たとえ補正を行わなくても位置測定の精度は十分である。 【0062】 別の特有の実施形態である図8aには、三角形状の接触センサTの斜視図が示
されている。図8bの側面図には、図8aの接触センサTの第1部材1(左側)
と第2部材2(右側)が対応する電極3,4とともに描かれている。第2部材2
の電極4は側面全体をカバーしていない。 【0063】 図9の斜視図には3次元ではたらく接触センサTの一例が示されており、さら
に別の実施形態によればこれはロボットアームのような部材を囲むように較正さ
れている。外側の第1部材1の第2の電極3は、ここに示されている電極3と同
じようにして他方の終端領域に取り付けられている。それゆえこのアームの周囲
全体はちょうど1つの接触センサTによって覆われている。 【0064】 さらに別の特有の実施形態である図10aには、ハーフシェル形状の接触セン
サTの斜視図が示されている。よく見えるようにするため、2つの部材1,2は
互いに支持され合っていない。図10bの平面図には、図10aの接触センサT
における外側の第1部材1(左側)と内側の第2部材(右側)が個々の電極3,
4とともに示されている。第1部材1は3つの電極3を有しており、これらは回
転対称に配置されている。第2部材2は環状電極41を有しており、さらにその
頂点には点状電極42を有している。 【0065】 この接触センサTは以下のように動作可能である。すなわち電圧差ΔUが第2
部材2の電極41と42の間に加えられ、この電圧差の強さが球の頂点すなわち
点状電極42の位置からの間隔を表す。接触点(ここではxで表す)とゼロマー
クとの間の角度αが第2の座標として求められる。角度測定の場合、単に2つの
電極3を使用しただけでは明確な結果は得られないので、第1部材1では3つの
電極3が使用される。この目的で好適であるのは、これらの電極3のうちそれぞ
れ2つに1つの動作電圧を加え、3番目の電極には別の動作電圧を加えることで
ある。1回目の測定のあと、別の動作電圧を他の電極3に割り当て、たとえばこ
れを周期的に交代させて、別の測定を実行する。これによって接触点の位置決定
精度が高まる。 【0066】 上述のように接触センサを利用した本発明の様々な特有の実施形態を、接触情
報を求めるために広く利用することができる。たとえば本発明の接触センサを様
々な状況で接触情報を求めるために利用することができ、たとえば自動車内のシ
ート占有状態の識別、エアバッグのトリガ、電子打楽器用センサ、機器制御用入
力素子、コンフォーマブルでウェアブルなコントロールデバイス、コンベヤベル
トの占有状態識別、清掃ロボットにおける衝突識別、あるいはスポーツ選手のト
レーニング支援、さらにはフィットネス機器での使用、一例としてはハイジャン
プにおける踏切ポイント測定などのために利用することができる。 【0067】 また、本発明による接触センサをたとえば人間工学研究用にも役立てることが
でき、自動車シートや靴あるいはオフィス家具などに役立てることができる。一
例として、変形可能な本発明による発泡材料センサをオフィスチェアなどの家具
に埋め込むことができ、不適当な姿勢あるいは人間工学的に不適切あるいは有害
なポジションについて、家具の使用者に対し人間工学的な警告を出したりフィー
ドバックしたりするように構成することができる。そのほかの例として、物理療
法を受けている患者の進捗状況をどのような運動が実行されているのかをモニタ
リングすることで監視したり、さらには平衡機能の問題点の治療の手助けをする
ために、接触センサを利用することもできる。 【0068】 これに加えて本発明による接触センサを以下のような接触情報を求めるために
利用することもできる。すなわちコンピュータ端末で使用するためのフレキシブ
ルなキーボード、携帯情報端末すなわちパーソナルディジタルアシスタント(P
DA)デバイスで使用するためのフレキシブルなキーボードまたはキーパッド、
コンピュータまたは他のデバイスに対するユーザインタフェースにおけるカーソ
ルまたは他のポジショニングエレメントを制御するためのタッチパッド(特殊な
例として大きいタッチパッドをポータブルコンピュータのキャリングバックに組
み込むことができる)のための接触情報を求めるために利用することもできる。
フレキシブルな発泡材料センサデバイスにおけるキーを利用した実施形態に関し
て、そこにおけるキーの個数やサイズならびにポジションをコンフィグレーショ
ン可能とすることができるし再配置可能とすることができる。いくつかの実施形
態によれば接触センサをマウスパッドとして使用することができ、このマウスパ
ッドにより、接触センサを使用して求められた接触物体(指など)の位置に基づ
く入力をベースとしたコンピュータに対する入力インタフェースが提供される。 【0069】 さらに本発明による接触センサを人形や自動車などの玩具用のタッチセンサお
よびポジションセンサに利用することができ、タッチセンサの固有の領域に対し
てなされた接触を、特定のリアクション(たとえば音声出力または他の出力、運
動開始等)を引き起こすようにコンフィグレーションすることができる。この種
の用途に関して、検知面全体にわたって感度や分解能を異ならせることができる
。 【0070】 たとえば人間を保護するために接触センサを使用する事例などのようないくつ
かの特別な実施形態において、安全性要求を接触センサに負わせることができる
。たとえば故障を識別する要求を負わせることができる。故障の識別は以下で述
べるようにして簡単なやり方で実装することができる。故障の識別に役立つ情報
の提供は、自動品質コントロールや製造後のセルフテストにとって価値がある。 【0071】 この場合、接続線の断線が生じたときに故障として識別することができる。こ
のような断線が存在すると、エラストマ部材内で電圧を加えたときに無限の抵抗
が発生するが、このような無限抵抗は正常動作中は生じないものである。電圧源
に接続された電極の短絡が発生したときには、別の故障として識別することがで
きる。このような短絡が生じると、動作電圧に非常に近い電圧(たとえば0Vと
5Vという電極端子電圧)が通常モード中に発生しなくなる。電極の短絡により
動作電圧(たとえば0Vと5V)とは異なる値が生じた場合、2つの事例として
故障を識別することができる。短絡によって測定信号が通例の動作範囲を逸脱し
たとき、その状況をたとえばファジィロジックなどによって識別することができ
る。別のやり方として、発生した周波数を分析することもできる。接触接点にお
ける変化としては速すぎる信号変化が生じたけれども、測定システムによってそ
の信号変化がまだ知覚できるならば、そのことから故障を推定することができる
。 【0072】 ある特有の実施形態によれば、接触センサが使用されている状況において破壊
行為(たとえばブレードや刃物が突き刺されたことなど)を考慮しなければなら
ない可能性もある。しかしながらこれによってもセーフティセンサシステムの識
別されない故障が引き起こされてしまってはならない。刃物で刺されたことはた
とえば最初は(刃物が刺されている間は)激しい接触接点として識別されること
になる(セラミックやプラスチックの刃は例外)刃物が取り除かれるとセンサの
機能が復帰する。とはいえこのような状況では動作特性全体が変化し、そのこと
も正常な機能との適切な比較によって識別できる。 【0073】 たとえば破壊行為が発生してちぎられたり切り取られたりするなどして、接触
センサの一部分が取り除かれてしまったことも、接触センサの全抵抗が増加する
ことから識別できる。接触センサがその場所から完全に取り外されてしまうと、
接続ワイヤが損傷を受けていなければそのことを検出できない。これに対する1
つの対抗策は、接触センサの設けられた装置のケーシングの両側にそれぞれ端子
電極を固定することである。 【0074】 様々な特有の実施形態に関する上述の説明は本発明の範囲を不必要に限定する
ものではなく、本発明は特許請求の範囲によってのみ規定されるものである。 【図面の簡単な説明】 【図1】 本発明の1実施形態による接触センサTを示す図である。 【図2】 図1の接触センサTの簡略化された等価回路図を示す図である。 【図3】 本発明の別の実施形態による接触センサTを示す図である。 【図4】 図3の接触センサTの簡略化された等価回路図を示す図である。 【図5】 慣用のインターディジタル構造Iを有する、本発明の実施形態の接触センサを
示す図である。 【図6】 本発明の実施形態による接触センサTに加わる負荷Fに対して、A/Dポート
6における圧力を示す図である。 【図7】 本発明の種々異なる実施形態にしたがって様々に形成された接触センサTの実
施形態を示す図である。 【図8】 本発明の種々異なる実施形態にしたがって様々に形成された接触センサTの実
施形態を示す図である。 【図9】 本発明の種々異なる実施形態にしたがって様々に形成された接触センサTの実
施形態を示す図である。 【図10】 本発明の種々異なる実施形態にしたがって様々に形成された接触センサTの実
施形態を示す図である。 【図11】 本発明の1実施形態にしたがい、種々のパラメタを決定するためにマイクロコ
ントローラに接続される、図1の簡略化された接触センサTを示す図である。 【図12】 図11の構成に示された様々なパラメタを決定するのに有利な接触センサの簡
略化された等価回路図である。
Description [0001] The present invention provides the inventors with the list of Bjoern Magnussen and Cyril Valfort,
Named "Contact Sensor" (Taktilsensor), filed on December 10, 1999
German Patent Specification No. 19955703.0 (Attorney Docket No. 99P5844D)
E) claims priority. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a contact sensor device and a method of operating the device. Touchsen
The basic principle of a contact sensor, also called a sensor, is that
It is to measure the contact between the contact area, which is a known surface. In industry
Unlike pressure or force sensors, sensor signals that are directly proportional to the applied force are not
It is important. Rather large areas or irregular areas should be covered cost-effectively.
Is generally regarded as important. In order to realize a large area contact sensor, there are basically four approaches.
Indicated by In one approach, the contact area is movable at several points.
A fixed plate supported, so that when a force is applied, the switching
The contact is activated. Neither the strength nor the position of the pressure can be measured and
If the horizon is large, high sensitivity to the sensor cannot be achieved.
In another approach, the contact area is resilient and vented, which is placed in an airtight sleeve.
A pneumatic sensor is fitted in this airtight sleeve, covered with a non-conductive material. this
The approach does not allow spatial decomposition of the force load. Yet another app
The roach has a pressure-sensitive membrane, according to the capacitive or piezoelectric principle.
Stretched across the contact area. This approach generally only detects changes in force load.
I can't get out. According to yet another approach, a membrane-type pressure sensor is used.
A conductive plastic material is applied to the interdigital structure
, Thereby increasing the pressure in the contact area, reducing the resistance between the two comb electrodes
You. It is also possible to use further layers, for example for cover and insulation. men
A blank type pressure sensor is relatively expensive to fabricate. [0004] Yet another example of a prior art approach is MicroTouch Systems' Cataro.
Lighting that operates according to the resistance sensor principle.
The gup panel is shown. For this reason, the lower thin polyester layer is
It is fixed to the holder, on which the upper thin polyester layer is tightened and fixed
ing. The upper polyester layer is under tension and the lower polyester layer
It is separated from the tellurium layer by a gap. Of these two polyester layers
The surfaces facing each other are coated with a conductive material. Upper polyester
When pressure is applied to the layer, this polyester layer pushes against the lower polyester layer.
The electrical contacts are closed and this position can be determined
is there. An object of the present invention is to provide a contact sensor that has a simple structure and is versatile and cost-effective.
To provide. This problem is addressed and activated by the contact sensor according to the invention.
To solve the problem. [0006] According to one embodiment, the contact sensor has at least two conductive members.
However, they are arranged one above the other in a common support area. But
These members are in mechanical contact with each other in the support area
. At least one of the at least two conductive members is a conductive member.
It is made of a last material (referred to as an elastomer member). This elastomeric material is
Sexual and conductive. When a load of force F is applied to this elastomer member, as a result,
The elastomeric member is pressed against the other member and the support area exposed to the pressure
Resistance or surface boundary conductor of the area (referred to as contact area)
Tance (surface transition conductance) changes. General contact resistance
Depends on the contact area and the applied pressure
The electrical conductance in the internal volume of the
Depends only on As a rule, the larger the contact area, the higher the pressure
The higher, the lower the contact resistance. [0007] Unlike a membrane type pressure sensor, this contact sensor of the present invention has two
Only one additional support area is required between the components. MicroTou
Unlike the ch sensor, the components of the present invention do not need to be mechanically tightened. Departure
According to the clarification, it is necessary to set complicated distances in mechanical support between members.
Absent. What are membrane type pressure sensors and sensors made by MicroTouch?
Differently, the support area of the contact sensor of the present invention is not limited to a flat shape. further
In the case of this contact sensor, it is not necessary to structure the support area. Materials and support areas
The area can also have cutouts. For some embodiments,
It is sufficient to make one of the materials from an elastomeric member. Another material, for example,
It can be made from metal, for example a metal sheet or foil. But
However, such devices limit spatial resolution and flexibility.
And According to the present invention, the application of a force may be, for example, a current through a contact area, or
Or can be measured by measuring the resistance value taking into account the contact resistance
. For this purpose, the above-mentioned components can have, for example, electrodes. Voltage load
And / or the measurement of the contact resistance can be performed, for example, by measuring the
For example, by means of electrodes built into the elastomer or with these components
Can be performed by another electrical contact means. Electrical contacts
The means are hereinafter referred to as electrodes, unless otherwise limited. The sum of the resistances
The transition resistance from pole to member and along or along the member
Due to the series resistance through the members and the contact resistance between one member and the other
Measured. The combined resistance for a given contact situation is
Is known for each configuration, and as a result, the contact resistance to be obtained can be calculated.
It is possible. When properly configured, information about the strength of external forces
In addition, the position and size of the contact region can be determined. [0009] Further details, features and advantages of embodiments of the present invention are set forth in connection with the following drawings.
Has been described. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows a contact sensor T according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 shows a simplified equivalent circuit diagram of the contact sensor T of FIG. FIG. 3 shows a contact sensor T according to another embodiment of the invention, FIG. 4 shows a simplified equivalent circuit diagram of the contact sensor T of FIG. 3, and FIGS. Embodiment of the present invention having an interdigital structure I
FIG. 6 shows a state of the contact sensor T according to the embodiment of the present invention.
7 to 10 show the pressure at the D port 6, FIGS. 7 to 10 show variously formed contacts according to different embodiments of the invention.
FIG. 11 illustrates an embodiment of a tactile sensor T. FIG. 11 illustrates a method for determining various parameters according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows the simplified contact sensor T of FIG. 1 connected to a microcontroller
FIG. 12 is a diagram illustrating a contact method that is advantageous for determining various parameters shown in the configuration of FIG.
FIG. 4 is a simplified equivalent circuit diagram of a sensor. Detailed Description of the Embodiment As described below, the contact sensor of the present invention has a very simple configuration and
Therefore, there is an advantage that it can be manufactured in a cost-effective manner. More durable
Strong against impact and easily deformable. One is placed on top of the other
Advantageously, at least the two components are composed of an elastomeric material. It is this
In this way, the measurable change with a relatively small force load is the protection resistance.
This is because This provides good sensitivity of the sensor signal and
It is possible to decompose it. Furthermore, such sensors are flexible and lightweight
And inexpensive. [0012] According to an embodiment of the invention, the contact sensor is arranged such that the elastomeric material is a foamed material, in particular a foamed material.
Closed-cell and conductive foam materials, especially EVAZOTE from the ZOATEFOAMS product family
(Registered trademark) foam material is advantageous. From foam materials, especially Evazote foam materials
One advantage of such a contact sensor is that its surface provides impact protection.
You. As a result, for example, when a human collides with this contact sensor, the impact energy
For the most part, soft sensor material will already be dispensed. Therefore mystery
I am lighter. If collisions occur frequently at large oblique impact angles,
Bonding two foam parallelepipeds in multiple hot melts at intervals of, for example, several centimeters
It is also possible to fix by using points. This allows the sensor
A relatively large contact area that can be used to detect humans, but to a lesser degree
In the case of, there is no restriction. [0013] Evazote foam materials have another advantage. For example, Evazote material is inert and lightweight
Stiffer and tearer than known polyurethane foam materials often used
High strength. In addition, this foam material absorbs a lot of energy, its temperature resistance,
Chemical and water resistance are also advantageous. Well known to process this
The method used can be used, and thermoforming can be easily performed. Metal
It is not corroded by Evazote foam and this foam is
UV). Further, Evazote foam material is about 100Ω / m
Low electrical internal resistance. Surface resistance, on the other hand, is
State is very high corresponding to the high impedance. Where pressure is applied
If so, this drops to less than a few kilohms. For this reason, Evazote foam materials are cost
There is no need to coat it over the air. [0014] Elastomeric materials, such as Evazote foam materials, are available in the form of plates of different thicknesses.
Available in state. To simplify explanation and evaluation, at least the elastomer part
It is advantageous if the material is provided in a uniform form, in particular as a planar hexahedron. However
Other geometries are also possible, such as half-shell, triangle or box. Hole
It is also possible to use an open member, such as a member having a cutout or a slot.
It is possible. The thickness of the contact sensor material and the size of the support area depend on the measurement accuracy and
And signal sensitivity. The reaction characteristics are determined by the size of the
It can be adjusted depending on the type of electric circuit adapted within the limits. In embodiments where it is desired to set a smaller detection threshold,
It is advantageous to insert an intermediate layer in between, e.g.
The separated layers are inserted and the distance between the two members is maintained. In some embodiments, each elastomeric member has at least one electrode,
Is preferably pressed against the corresponding elastomeric member. Depending on contact pressure
In addition, the interfering boundary resistance between the electrode and the elastomer member is minimized. This con
Tact pressure is applied externally, for example by clips, screws and clamps
Or by inserting an electrode into the elastomeric member, for example by welding or gluing
Fixing can be applied internally by placing under pressure. In order to apply the voltage field uniformly and to simplify the evaluation, for example, each parallelepiped
It is advantageous if the electrodes in the component are fitted parallel to the support area, where
In particular, it is fitted over the entire length of the side area (edge electrode). In this case, 2
Two parallelepiped electrodes are arranged parallel to each other or each pair of electrodes is
In particular, the first pair of electrodes and the second pair of electrodes are 90 ° so that they are offset by a predetermined angle.
They can be arranged so as to be shifted. For example, the bottom area of a parallelepiped member
Are in the (x, y) plane and the bottom area includes the support area, the side area
Is one of the planes having the z component, for example, the (x, z) plane or the (y, z) plane.
Face. In this case, the area of the member opposite the support area is used as the contact area
It is possible. Any conductive material that does not generally corrode is advantageous as a material for an electrode, especially
This is advantageous for use as an edge electrode. However, this electrode material
If it is flexible in the active, ie deformable, area of the sensor
It is advantageous. For example, a spirally wound wire is advantageous in this area. So
This is because they withstand deformation without problems and within a wide range of length changes,
This is because an excessively large tensile force is not generated. Especially wire mesh
Advantageously, it is usually used as a contact material for high frequency resistant doors. This
Of wire mesh is transverse to its diameter and can withstand pressure along the wire.
Shows elasticity. Conductive plastic (rubber code, etc.)
) May be conceivable, but in this case the additional electrical resistance generally must not be taken into account.
I have to. To keep the boundary resistance associated with the elastomeric material as low as possible, the edge electrode
Should be applied with care. To apply this the electrodes are advantageously elastic
It is pressed against the toma material, which minimizes the boundary resistance. Quick and have
Moveable along the lateral area of the parallelepiped of the elastomer for convenient integration
A simple device is advantageous. This device has a guide part, and the edge of the elastomer is
Slide accurately. The blade is located in the center of this guide,
Cut the foam material to the depth of the file. The slot created in this way corresponds to
Insert the electrode. For this purpose, the guide part where the electrode material comes out fits behind the blade.
Is embedded. The effect of this guide, e.g. a small tube, is to maximize the electrodes
It can be inserted into a slot by width. Beside this tool behind this guide
Direction guide section is thin, which allows the
The lateral pressure required to lower the boundary resistance is created. In a narrow area
Is also equipped with a welding unit. This can be, for example, an infrared radiator or a hot raw
And welds the slot provided by the blade. Lateral guide
The narrowed part of the is designed to be long enough to give the elastomer material a strong
This narrowed portion is maintained even during cooling. Under pressure
The elastomeric material that is welded at is exerting a continuous pressure on the electrode material,
A constant and low boundary resistance is obtained. There are no restrictions on the position and shape of the electrodes. For example, on the opposite corner of each member
Two point electrodes are also possible. However, at least two electrodes
Snapping into the opposing surface, especially along the lateral area laterally bordering the support area
Embedding is advantageous. According to some embodiments, a plurality of electrodes are connected to form an electrical set of resistance values.
A combination is advantageously obtained. In particular, design the contact sensor so that the boundary resistance is
It is advantageous if the size is much smaller. Where the series resistance is the contact resistance R
It is much smaller than s. What is advantageous and not limiting for resistance measurements is
The following two methods are used. (1) A known or measurable voltage
In addition to the electrodes, direct or indirect current flow, e.g. a voltage drop across a resistor
Measure from. Alternatively, determine the specified current and measure the voltage directly or indirectly
It is also possible. (2) Voltage division from resistance to be determined and measurable resistance
A resistor is formed, whereby the resistance can be determined from the voltage ratio. in this case,
A comparative resistor can also be formed from a portion of the member itself. For the operation of the contact sensor, the first member and the second member are set to different voltages, respectively.
It is advantageous to connect. For example, to measure the strength of a contact,
Member has a pair of electrodes facing each other, and an operating voltage is applied to the electrode pair of the first member.
It is advantageous if the electrode pair of another member is grounded. One pair of electrodes has a positive working
It is also possible to connect the pressure and another pair of electrodes to a negative operating voltage. According to this contact sensor, the voltage difference is applied to at least the first member, and the second member
Connecting to the / D port may also be advantageous. For example, the position of the contact area
To measure, a voltage difference is applied to an elastomer member, in particular a parallelepiped of foam material.
This is advantageous. As a result, this elastomer member operates as a voltage divider,
This has the advantage of a simple structure and has at least one orientation.
Thus, the location of the applied force can be determined. For position determination, one electrode of the electrode pair on one elastomer member is electrically connected.
Pressure and disconnect the other electrode of this pair of electrodes, while at the same time
Connect the electrode pairs on the material in the same manner as for measuring the contact resistance magnitude.
It is also possible to connect to ground, for example, via a resistor and an A / D converter. all
After measuring the resistance, replace the electrode connection on one of the above-mentioned elastomer members.
Perform the measurement again. Compare the two measurements of the overall resistance and find out
The electrode with the lower resistance value is closer to the contact position.
A similar exchange of connections can be made for another corresponding elastomeric material.
. For example, if two elastomer members are used in which the electrode pairs are rotated 90 °,
The forces obtained can be resolved in the x and y directions. In order to measure the range of the external pressure load, the voltage difference in the elastomer member must be measured.
In this case, it is advantageous to measure the current, for example, in addition to the location of the pressure load.
(See above). In this case, an elastomer member with a voltage at both ends
Increases with increasing applied force. It is another elastomer part
Because the material is connected in parallel over a wide area, its resistance decreases between the electrodes.
is there. This change in current is measured, for example, by measuring the voltage across a resistor.
Is done. In this approach, at least one electrode of another elastomeric member is connected.
Not necessary, but the circuits connected to it, for example analog-to-digital
From the point of view of the total transformer, it is advantageous that the input side has high impedance
There is also. Typical of a contact sensor consisting of two parallelepipeds of foam made of Evazote foam
The typical measurement range is from 0.04N (discrimination limit) to 5N (saturation limit).
In another case, it is between 0.5N (discrimination limit) and 50N (saturation limit). Combination
Measurement range is achieved, for example, by combining two contact sensors.
This is done by placing one over the other. (0.75m × 1m
A contact sensor having a size of) is typically better than about ± 1% for position determination.
Measurement accuracy, and with this accuracy filtering and noise reduction
Is improved by [0027] Combined circuit arrangements can also be used. Generally, in the simplest case, almost
There are point contacts, the resistance of which decreases with pressure. Negative pressure
Additional contact points or increased contact area when loaded
And the contact resistance R S Is formed, which represents the center of gravity of all contacts
. In this case, the pressure or presence at the individual contact points, not just in the area of the center of gravity
Limited contact area affects results. So where is the contact area
Can be shown. This is preferably a parallelepiped, in particular a part made of foam material
It is the case of wood. Different averaging algos of the above position measurement technique and its variants
Due to the rhythm, combining these measurements, as explained below,
More information about the contact shape can be derived. The electronic circuit is advantageous for evaluating sensor data. This electronic circuit is extremely small
Can be constructed and especially integrated into the elastomeric material of the sensor
. Driving electrodes, for example applying voltage, must be done by a microcontroller
Can be. Evaluation of sensor data, for example, the position and one or more
The measurement of shunt resistance in multiple directions is also performed by a microcontroller.
Can be performed. Furthermore, this microcontroller has a contact resistance R
It can be used for connection through a resistor for current measurement through s. Touch sensors are generally used to determine contact information according to various embodiments.
It can be used and is described further below. However, the functions and functions of the present invention
To further explain the movement and operation, two parallelepiped foam plates were used.
An embodiment with a contact sensor to be used will now be described in more detail. This implementation
1, the contact sensor T is shown in a perspective view. This contact sensor
Is composed of a first member 1 and a second member 2, each having six parallel surfaces made of Evazote material.
It is in the form of a body foam material plate. These two for clarity
Although the plates 1 and 2 are not in contact with each other in this figure, the actual contact sensor T
Are mounted one on the other in the support area. As can be seen from the embodiment shown in FIG. 1, the support region (in the (x, y) plane)
Two mutually perpendicular (in the (y, z) plane) tangent regions are
The poles 3 are respectively fitted parallel to the support area and over the entire length of the corresponding lateral area
Have been. Similarly, the pair of electrodes 4 is positioned in the ((z, x) plane of the second foam material plate 2.
A) parallel to the lateral area. This pair of electrodes 4 is connected to another pair of electrodes 3
On the other hand, it is rotated by 90 ° about the z-axis. The contact area where the force F can be applied depends on the support area of the first foam material plate 1
It is the far side. A voltage of 5 V is applied to both electrodes 3 of the first foam material plate 1.
Pressure is being applied. The electrodes 4 of the second foam material plate 2 are both R = 10 KΩ
Is connected to the ground G via the resistor 5 of In addition, analog / digital ports
6 is connected to the electrode 4 and this port is connected to the input side of the A / D converter
be able to. Due to the potential difference between the foam materials 1 and 2, current flows through the support area.
It is. This current is supplied, for example, via an A / D converter to, for example, a microcontroller.
Or can be measured by a voltage measuring device at the resistor 5
. The internal resistance of the foam material plates 1 and 2 and the electrodes 3 and 4 and the foam material plates 1 and 2
2 is hardly dependent on the deformation of the contact area.
It is determined exclusively by the contact resistance between the foam material plates 1 and 2.
When an external force is applied, the two foam material plates 1 and 2 are pressed against each other,
As a result, the contact resistance Rs changes and, in principle, decreases. As a result, the current
And the contact can be identified. FIG. 2 shows a simplified equivalent circuit diagram of the contact sensor T of FIG. resistance
Operating voltage U = 5V is applied to the chain W1. This chain is possible
It has two resistors Re as small as possible, which consist of the electrode 3 and the foam material plate.
Equal to the boundary resistance between 1 and 2. Connected between these are the internal resistance Rf1 and
And Rf2, which represent the internal resistance of the foam material plate 1 and
Works as Another type of resistor with a similar structure (Re / Rf3 / Rf4 / Re)
Is connected in series to earth G via an external resistor 5 of R = 10 KΩ
And is directly connected to the A / D output 6. Two chains of resistors W1 and
And W2 are connected to each other via a resistor Rs, which is equivalent to a protect resistor.
Respond. The resistance Rs depends on the applied force. For the sake of simplicity, this equivalent circuit diagram shows only one point-like contact field.
Represents the combination. Since Rs is the maximum resistance, the total resistance of this circuit device is exclusively Rs
Is determined. The measurement errors occur due to the internal resistances Rf1,.
If the contact point is known, compensation is possible. In order to measure the contact resistance Rs, only one foam material plate 1 or 2 is required.
It is sufficient to use the electrodes 3, 4 or the chains W1, W2 of resistors. This place
In that case, it is advantageous to fit the electrodes 3, 4 on the opposite side. It is
This is because any dependence on the position of the leverage device is cancelled. According to another embodiment, FIG. 3 shows a circuit for determining the position where the force is applied.
Shown is a contact sensor T whose road device differs from that of FIG. First foam material play
The electrodes 3, 31 and 32 of G1 are now connected to up to two different operating voltages.
That is, U = 5V at the first electrode 31 and ground G at the second electrode 32.
By connecting, it is connected to U = 0V. This results in a 5V voltage drop
ΔU occurs in the x-direction in the first foamed material 1 so that a corresponding current is applied to this material.
Occurs. When a force is applied to the contact area, the contact resistance between the two foam material plates 1 and 2
Becomes smaller. The second foam material plate 2 comprises a first foam material at a contact point.
It is assumed to be the potential of plate 1. Multiple contact points and / or comparisons
If a large contact area occurs, an average value of the contact resistance is formed,
It represents the center of gravity of all contacts. In this case, not only the area of the center of gravity, but also the individual
The pressure at the contact point affects the result. An alternative position determination is to power only one of the electrodes 31, 32, which is a pair of electrodes 3.
This is achieved by connecting to a pressure. In this case, another pair of electrodes 4 is as shown in FIG.
Connected to. After measuring the total resistance, the electrodes 31, 32, which are the above-mentioned pair of the electrodes 3,
Is changed, and the total resistance is measured again. Ratio of two measurements of total resistance
The comparison shows that the electrodes 31 and 32 having smaller resistance values are
It is closer to the contact position. However, this method does not
In some cases, the accuracy is lower than the above method. With the circuit device shown in FIG. 3, the size of the region where the contact is strengthened,
That is, it is also possible to determine the protect size. Two foam material plates 1
, 2 can of course be interchanged.
You. FIG. 4 shows a simplified equivalent circuit diagram of the contact sensor T of FIG.
In which the two contact points are represented by two pressure-dependent resistors Rs.
You. If there is only one contact point corresponding to a small contact area
, The total resistance of the first foam material plate 1 is calculated as 2 · Re + Rf1 + Rf2 + Rf3
Is done. Relatively large contour when pressure is applied to two contact points
The total resistance is 2 · Re + Rf1 + Rf2 + Rf3 + Rf2 / (2
Rs + Rf5 / (Rf4 + Rf6 + 2Re)), and therefore only one contour
It is much smaller than the case of First foam material with voltage drop at both ends
By measuring the resistance of the contact 1, for example, the contact area
Changes in the contact area, or the absolute contact area after calibration.
Wear. A two-dimensional measurement of the contact area is likewise possible, for example
By causing a voltage drop in the direction (for example, the electrode 4 is (x, y)
(Use another foam material plate 2 which is arranged rotated by 90 ° in the plane). In another embodiment, the contact sensor is deposited on a circuit board C as shown in FIG.
The conductive foam material layer S which is set is used. This circuit board C is made of foam material S
The interdigital structure I in the form of two interdigitated structures is
Printed. As the force F increases in the foam material S, the force between the two comb structures
The electric resistance decreases. FIG. 5b is a plan view showing the interdigital structure I and the electrodes E
Is shown. FIG. 5c relates to the contact sensor of FIG. 5a.
An equivalent circuit diagram is shown, which includes a resistance R that is force or pressure dependent. According to the embodiment, FIG. 6 shows a case where the material properties of the members 1 and 2 are changed.
Shows the sensor signal of the contact sensor T, where the contact sensor T is Ev
It has foam material plates 1 and 2 made of azote foam material. Two foam material pre
Thickness (in the z direction in FIGS. 1 and 3) of the gates 1 and 2 (3 mm, 6 mm, 20 m
m) and the foam material is also changed (45CN and 85CN, where the numbers
Indicates the density and “CN” indicates the conductive design). Corresponding to the pressure signal,
An analog signal at the A / D port 6 is supplied to an A / D converter, and the A / D converter
The converter converts the analog signal to 2 8 = 256 values (= "8-bit A / D unit")
Accordingly, the signal is converted into a digital 8-bit signal. This 8-bit signal is the professional
Has been set. The abscissa shows the external force applied to the contact area of this contact sensor.
F is indicated by N. It is clear from this diagram that the thickness of the Evazote EV45CN foam material
For foam material plates 1 and 2 having 3 mm (square) and 6 mm (diamond)
To obtain almost the same sensor signal, and this sensor signal is relatively small.
Reacts sharply in the section of strong force F = [≒ 0; 1] N, and the relatively large force F> 1N
On the other hand, it converges to the saturation value. For a thickness of 20 mm (triangle), F ≒ 2.5N
This saturation value is reached only after. Evazote EV85CN foam material (cloth type)
Is less sensitive to small forces F <1N, whereas relatively large forces F
Sensitivity is high for> 1N. Thus, for example, in order to cover the area of force shown, it has two thicknesses
A combination of foam material plates (3 mm or 6 mm and 20 mm) is advantageous
There is, for example, constituted by stacking two contact sensors T. As mentioned above, according to certain embodiments of the present invention, the above-described position measurement techniques and
And these variants using different averaging algorithms for
Information about the contact shape can be derived from the alignment. In FIG.
1 shows a simplified contact sensor T of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
This was done by the microcontroller to determine the different parameters shown in Table 1 below.
It is connected to the roller 100. Further, FIG. 12 shows the simplification of the contact sensor T.
Equivalent circuit diagram (150 indicates two contacts when one contact is made)
Contact is performed), where the contact sensor is shown in FIG.
It is advantageous to determine the various parameters shown in Table 1 for the configuration. As shown in FIG. 11, what is assumed in Table 1 is that the contact sensor T
Having two layers of foam material, each of which has two electrodes on it.
With poles (eg for rectangular contact sensors). Each electrode is an electronic driver
Which can measure the electrode voltage, 0 V or 5 V (or
Or another predetermined power supply voltage) or high impedance
Alternatively, 0V or 5V can be applied to the electrode via a known resistor. this
Is achieved by using two multi-purpose pins of microcontroller 100
Is done. These pins on the microcontroller can be high or low, respectively.
Can output high impedance. Port is high impedance
In some cases, this can also be used as an analog input. These ports (hereinafter
One of the ports (hereinafter referred to as port O) is connected via a resistor to another port (hereinafter A).
N (only this port needs the A / D converter function)
By connecting the port AN to the electrodes of the sensor, the necessary electronic circuits are obtained.
The number of ports corresponds to the electrodes (AN / O1 and AN / O2 are for the upper layer electrodes).
AN / O3 and AN / O4 are for the underlying electrodes). In total
3 8 = 6561 measurements are possible and 0-4 analogs in each configuration.
Measurement is available. The legends in Table 1 are as follows: A = analog input H = 5V output L = 0V output Z = high impedance X = don't care O = H or L. The following parameters are interchangeable in all measurements. That is, H and L,
Left and right, front and back, upper and lower are interchangeable. [Table 1] [Table 2] [Table 3] [Table 4] [Table 5] [Table 6] [Table 7] Table 1 shows the types of measurable information and various parameters determined accordingly.
One particular embodiment is shown by way of example only. A similar analysis is a square connection.
In addition to tactile sensors (such as odd-shaped contact sensors that may be used for toys)
) Can be used for other embodiments. Generally, a plurality of contact sensors having different sensitivity ranges can be stacked.
. In addition, different material properties (density, conductivity, etc.) and / or different thicknesses
It is also possible to provide more than two different foam materials with different
Is to increase the sensitivity and extend the measurement range of the contact sensor device. Simple fruit
For the embodiment, the contact sensor consists of a continuous metal area and a conductive elastomeric material.
Can be done. However, in this embodiment, multiple directions
Cannot cause a linear voltage drop. Such an arrangement is preferable.
This is especially true when there is already a metal area in the device to be equipped with the contact sensor.
It is. With such a device (without insulation) the metal area can be
Can also be used for For example, metal areas can be used as vehicle grounds.
Wear. In a more complex embodiment, the elastomeric member is, for example, three-dimensionally shaped.
It can be used or formed as a member. Therefore one unique fruit
In the embodiment, each of the elastomer members is formed by sawing from a relatively large block.
This can be done, for example, using a cutting wire device.
it can. In this case, for example, at least two elastomer members are formed simultaneously.
This reduces cutting waste. Another embodiment
According to the above, each elastomer member can be formed by joining a plurality of plates together.
And a conductive connection is formed as a result. In this way, the contact sensor
It can have a shaded or edged shape,
The principle of the sensor is maintained even in the case of the sensor. Note that this type of sensor has a square shape.
Obviously, the present invention is not limited to the shape with the edge. Further
According to another embodiment, each elastomeric member is placed in a specially formed mold
For example, this can be done by injection or foaming. This
Very high degrees of freedom with regard to shape can be obtained. According to another embodiment, the contact
The tactile sensor can be glued with various other sensors, such as another touch sensor
You. Commercially available double-sided adhesive tape is suitable for this purpose, which ensures
Done. Bonding using a hot-melt adhesive is also possible, but in this case
Difficult to separate without If you are joining multiple sensors,
Care must also be taken to ensure electrical isolation. Electrically insulating
A layer of plastic, such as a foam layer, is applied to the surface and additional decorative
It is also good to have a use and wear suppression effect. FIG. 7 a, one particular embodiment, shows a perspective view of the contact sensor T.
, Which can be mounted, for example, on the side of a cleaning robot. Contour
The tactile sensor T is adapted to the application area, ie the cleaning robot. Two d
A non-conductive intermediate layer 7 (having regular holes) is provided between the
For example, a net or a bonding point) is inserted. This membrane allows detection
The outgoing threshold is increased. The contact sensor T further has a notch 8. like this
Notches may be required depending on the embodiment (in this case, for example,
Notch for recharging connector to robot battery and sonar
Can be used for the sensor's “window”). FIG. 7 b shows the first member 1 (left side) and the second member 2 (left side) of the contact sensor T according to FIG.
(Right side) are shown with the corresponding electrodes 3,4 respectively. In this case two
Since the voltage drops in the side areas of the members 1 and 2 are not uniform,
It is therefore advantageous to correct the position measurement. Nevertheless, implementation like a cleaning robot
For the form, the accuracy of the position measurement is sufficient even without correction. FIG. 8 a, another specific embodiment, shows a perspective view of a triangular contact sensor T.
Have been. 8B shows the first member 1 (left side) of the contact sensor T of FIG. 8A.
And the second member 2 (right side) are shown together with the corresponding electrodes 3 and 4. Second member 2
Electrode 4 does not cover the entire side surface. FIG. 9 is a perspective view showing an example of the contact sensor T that works in three dimensions.
According to another embodiment, this is calibrated to surround a member such as a robot arm.
Have been. The second electrode 3 of the outer first member 1 is identical to the electrode 3 shown here.
In the other end region. Therefore around this arm
The whole is covered by exactly one contact sensor T. Another specific embodiment, FIG. 10 a, illustrates a half-shell shaped contact sensor.
The perspective view of T is shown. For better visibility, the two members 1, 2
Not supported by each other. The plan view of FIG. 10b shows the contact sensor T of FIG. 10a.
The first outer member 1 (left side) and the second inner member (right side) in FIG.
4 are shown. The first member 1 has three electrodes 3, which are
They are arranged in symmetry. The second member 2 has an annular electrode 41,
A vertex has a point electrode 42. The contact sensor T can operate as follows. That is, the voltage difference ΔU is equal to the second
Is applied between the electrodes 41 and 42 of the member 2 and the magnitude of this voltage difference is
The distance from the position of the point electrode 42 is shown. Contact point (represented by x here) and zero mer
Is determined as the second coordinate. For angle measurement, just two
Since a clear result cannot be obtained only by using the electrode 3, three first members 1
Electrodes 3 are used. Suitable for this purpose is that each of these electrodes 3
By applying one operating voltage to each of them and applying another operating voltage to the third electrode
is there. After the first measurement, another operating voltage is assigned to the other electrodes 3, for example
They are alternated periodically and another measurement is performed. This determines the position of the contact point
Accuracy increases. Various specific embodiments of the present invention utilizing contact sensors as described above
Can be used widely to seek information. For example, the contact sensor of the present invention
It can be used to determine contact information in various situations, for example, in a car.
Occupant status identification, airbag trigger, electronic percussion sensor, device control input
Force element, conformable wearable control device, conveyor belt
Identification of the occupation status of the sport, collision identification in the cleaning robot, or
Training assistance and even use on fitness equipment, for example, Haijan
It can be used for measuring the level crossing point at a road. Further, the contact sensor according to the present invention can be used, for example, for ergonomic research.
It can be used for automobile seats, shoes or office furniture. one
As an example, a deformable foam material sensor according to the invention can be used for furniture such as office chairs.
Improper posture or ergonomically inappropriate or harmful
Provide ergonomic alerts or feedback to furniture
Or it can be configured to perform feedback. Another example is physical therapy
Monitor the progress of patients undergoing the law to see what exercise is being performed
Monitor by ringing or even help with balancing problems
For this purpose, a contact sensor can be used. In addition to this, the contact sensor according to the present invention is used to obtain the following contact information.
Can also be used. I.e. flexible for use in computer terminals
Keyboard, personal digital assistant, or personal digital assistant (P
DA) a flexible keyboard or keypad for use with the device;
Cursor in the user interface to the computer or other device
Touchpad (special purpose) to control the device or other positioning elements
For example, assembling a large touchpad into the carrying back of a portable computer
Can also be used to determine contact information.
Regarding key-based embodiments in flexible foam material sensor devices
To configure the number, size and position of keys there.
And can be relocated. Some implementations
According to the embodiment, the contact sensor can be used as a mouse pad.
Data based on the position of a contact object (such as a finger) determined using a contact sensor.
An input interface to an input-based computer is provided. Further, the contact sensor according to the present invention can be used as a touch sensor for toys such as dolls and automobiles.
And position sensors, which can be used to
Contact made with a specific reaction (for example, audio output or other output,
Start of operation, etc.). This species
Sensitivity and resolution across the entire sensing surface for applications
. Some examples, such as the use of contact sensors to protect humans
In such a special embodiment, the safety requirement can be imposed on the contact sensor
. For example, a request to identify a fault can be made. Failure identification is described below.
And can be implemented in a simple way. Information to help identify failures
Is valuable for automated quality control and post-production self-test. In this case, when the connection line is broken, it can be identified as a failure. This
Disconnection, the infinite resistance occurs when a voltage is applied inside the elastomer member.
However, such infinite resistance does not occur during normal operation. Voltage source
When a short circuit occurs in the electrode connected to the
Wear. When such a short circuit occurs, a voltage very close to the operating voltage (for example, 0V and
The electrode terminal voltage of 5 V) does not occur during the normal mode. Due to the short circuit of the electrode
When a value different from the operating voltage (for example, 0 V and 5 V) occurs, two cases are considered.
Failures can be identified. A short circuit causes the measured signal to deviate from the normal operating range.
The situation can be identified, for example, by fuzzy logic.
You. Alternatively, the generated frequency can be analyzed. Contact contacts
Signal changes that are too fast for the
If the signal change is still perceptible, then the fault can be estimated from it
. According to one particular embodiment, a failure occurs in situations where a contact sensor is used.
Actions (eg blades and blades pierced) must be considered
It may not be. However, this does not
An unbreakable failure must not be caused. I was stabbed with a knife
For example, initially identified as a hard contact (while the knife is stabbed)
(Except for ceramic and plastic blades) when the blade is removed
Function returns. However, in such a situation, the overall operating characteristics change,
Can also be identified by proper comparison with normal function. For example, if a vandalism occurs and is torn off or cut off,
Removal of part of the sensor also increases the total resistance of the contact sensor
Can be identified from If the contact sensor is completely removed from its place,
If the connecting wire is not damaged, it cannot be detected. 1 for this
One countermeasure is that terminals are provided on both sides of the casing of the device with the contact sensor.
It is to fix the electrodes. The above description of various specific embodiments unnecessarily limits the scope of the invention.
Instead, the invention is defined only by the claims. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a contact sensor T according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a simplified equivalent circuit diagram of the contact sensor T of FIG. 1; FIG. 3 is a diagram showing a contact sensor T according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing a simplified equivalent circuit diagram of the contact sensor T of FIG. 3; FIG. 5 shows a contact sensor according to an embodiment of the invention having a conventional interdigital structure I;
FIG. FIG. 6 shows an A / D port for a load F applied to the contact sensor T according to the embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the pressure in 6. FIG. 7 shows an example of a contact sensor T formed differently according to different embodiments of the invention.
It is a figure showing an embodiment. FIG. 8 shows an example of a contact sensor T formed differently according to different embodiments of the invention.
It is a figure showing an embodiment. FIG. 9 shows an example of a contact sensor T formed differently according to different embodiments of the invention.
It is a figure showing an embodiment. FIG. 10 shows an example of a contact sensor T formed differently according to different embodiments of the invention.
It is a figure showing an embodiment. FIG. 11 illustrates a method for determining various parameters according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows the simplified contact sensor T of FIG. 1 connected to a controller. FIG. 12 is a simplified diagram of a contact sensor advantageous for determining various parameters shown in the configuration of FIG. 11;
FIG. 4 is a simplified equivalent circuit diagram.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE, GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,J P,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK, MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,R O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG,UZ,VN, YU,ZA,ZW (72)発明者 ビェルン マグヌッセン アメリカ合衆国 カリフォルニア アルバ ニー ヴェンチャー アヴェニュー 1030 (72)発明者 シリル ヴァルフォート フランス国 ブシー−アルビュー レ シ ャゾー (番地なし) (72)発明者 アンドリュー ダーレィ アメリカ合衆国 カリフォルニア サンフ ランシスコ カンザス ストリート 687 (72)発明者 ヴィクター スー アメリカ合衆国 バークレイ ベンヴェニ ュ アヴェニュー 3011 Fターム(参考) 5B068 AA33 BB06 BC08 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE, TR), OA (BF , BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, G M, KE, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ , UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, B Z, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK , DM, DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, J P, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR , LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, R O, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ , TM, TR, TT, TZ, UA, UG, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Bjern Magnussen             United States California Aruba             Knee Venture Avenue 1030 (72) Inventor Cyril Valfort             France Bussy-Alvue-les-Ci             Jazo (no address) (72) Inventor Andrew Darley             United States California Sanfu             Francisco Kansas Street 687 (72) Victor Sue             United States Berkeley Benveni             The Avenue 3011 F term (reference) 5B068 AA33 BB06 BC08

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 接触センサにおいて、 少なくとも1つの第1の導電性部材と第2の導電性部材が設けられており、該
部材は支持領域で互いに支持され合っており、該部材のうち少なくとも1つの部
材はエラストマによって形成されており、 前記2つの部材間の接触抵抗が測定され、該接触抵抗は支持領域における圧力
に少なくとも依存し、前記の2つの部材は2次元領域に合わせて成形されており
、該2次元領域はフレキシブルなキーボードの一部分であり、コンピュータまた
は他のデバイスに対する入力インタフェースを成すことを特徴とする、 接触センサ。 【請求項2】 上下に重なり合った少なくとも2つの部材がエラストマから
成る、請求項1記載の接触センサ。 【請求項3】 少なくとも1つの部材はエラストマから成りたとえば発泡材
料から成り、他の部材は金属を含む、請求項1記載の接触センサ。 【請求項4】 第1の導電性部材と第2の導電性部材との間に中間層が挿入
されている、請求項1記載の接触センサ。 【請求項5】 第1の導電性部材と第2の導電性部材との間に中間層が挿入
されている、請求項2記載の接触センサ。 【請求項6】 エラストマから成る各部材は少なくとも1つの電極を有して
おり、たとえば個々の部材に対して押圧されるワイヤメッシュから成る、請求項
2記載の接触センサ。 【請求項7】 エラストマから成る各部材は個々の部材において少なくとも
1つの電極を有する、請求項2記載の接触センサ。 【請求項8】 2つの部材は平行六面体であり、該平行六面体の各々におい
て対向する側面領域に沿って2つの電極が取り付けられている、請求項7記載の
接触センサ。 【請求項9】 前記エラストマは発泡材料であり、たとえば EVAZOTE (商
標)発泡材料である、請求項1記載の接触センサ。 【請求項10】 前記エラストマは発泡材料であり、たとえば EVAZOTE (
商標)発泡材料である、請求項2記載の接触センサ。 【請求項11】 2つよりも多くの部材が互いに支持され合っており、該部
材のうち少なくとも1つの部材は異なる厚さおよび/または異なる材料特性を有
する、請求項2記載の接触センサ。 【請求項12】 2つよりも多くの部材が互いに支持され合っており、該部
材のうち少なくとも1つの部材は異なる厚さおよび/または異なる材料特性を有
する、請求項10記載の接触センサ。 【請求項13】 前記2つの部材は2次元の曲線領域に合わせて成形されて
いる、請求項1記載の接触センサ。 【請求項14】 前記のフレキシブルなキーボードはキーを有しており、該
キーの個数はコンフィグレーション可能であり再配置可能である、請求項1記載
の接触センサ。 【請求項15】 前記のフレキシブルなキーボードはキーを有しており、該
キーのサイズはコンフィグレーション可能であり再配置可能である、請求項1記
載の接触センサ。 【請求項16】 前記のフレキシブルなキーボードはキーを有しており、該
キーのポジションはコンフィグレーション可能または再配置可能である、請求項
1記載の接触センサ。 【請求項17】 前記の他のデバイスはパーソナルディジタルアシスタント
または移動電話またはラップトップコンピュータである、請求項1記載の接触セ
ンサ。 【請求項18】 前記他のデバイスはパーソナルディジタルアシスタントま
たは移動電話である、請求項1記載の接触センサ。 【請求項19】 前記のフレキシブルなキーボードはポータブルコンピュー
タのケースの一部分に組み込まれている、請求項1記載の接触センサ。 【請求項20】 前記のフレキシブルなキーボードは、指の接触に基づき入
力を行わせるマスパッドとして入力インタフェースを成している、請求項1記載
の接触センサ。 【請求項21】 接触センサにおいて、 少なくとも1つの第1の導電性部材と第2の導電性部材が設けられており、 該部材は支持領域で互いに支持され合っており、該部材のうち少なくとも1つ
の部材は発泡性エラストマから成り、 前記2つの部材間の接触抵抗が測定され、該接触抵抗は支持領域における圧力
に少なくとも依存し、該部材は2次元領域に合わせて成形されており、該領域は
フレキシブルなキーボードの一部分であることを特徴とする、 接触センサ。 【請求項23】 接触センサにおいて、 少なくとも1つの第1の導電性部材と第2の導電性部材が設けられており、該
導電性部材は支持領域で互いに支持され合っており、該部材のうち少なくとも1
つの部材はエラストマから成り、 前記の2つの部材間の接触抵抗が測定され、該接触抵抗は前記支持領域におけ
る圧力に少なくとも依存し、 前記の2つの部材は2次元領域に合わせて成形されており、該領域は人間工学
的家具製品の一部分であることを特徴とする、 接触センサ。 【請求項24】 接触センサにおいて、 少なくとも1つの第1の導電性部材と第2の導電性部材が設けられており、 該導電性部材は支持領域で互いに支持され合っており、該部材のうち少なくと
も1つの部材はエラストマから成り、 前記の2つの部材間の接触抵抗が測定され、該接触抵抗は前記支持領域におけ
る圧力に少なくとも依存し、 前記の2つの部材は2次元領域に合わせて成形されており、該領域は玩具の一
部分であり、前記部材には電極が設けられていて、前記領域における部材に対し
てなされた接触に基づき該玩具による固有のリアクションが引き起こされること
を特徴とする、 接触センサ。 【請求項25】 上下に重なり合った少なくとも2つの部材がエラストマか
ら成る、請求項23または24記載の接触センサ。 【請求項26】 少なくとも1つの部材はエラストマから成りたとえば発泡
材料から成り、他の部材は金属を含む、請求項23または24記載の接触センサ
。 【請求項27】 前記の第1の導電性部材と第2の導電性部材の間に中間層
が挿入されている、請求項23または24記載の接触センサ。 【請求項28】 前記の第1の導電性部材と第2の導電性部材の間に中間層
が挿入されている、請求項25記載の接触センサ。 【請求項29】 エラストマから成る各部材は少なくとも1つの電極を有し
ており、該電極はたとえばワイヤメッシュから成り個々の部材に押圧されている
、請求項23または24記載の接触センサ。 【請求項30】 エラストマから成る各部材は個々の部材において少なくと
も1つの電極を有する、請求項25記載の接触センサ。 【請求項31】 2つの部材は平行六面体であり、該平行六面体の各々にお
いて対向する側面に沿って電極が取り付けられている、請求項30記載の接触セ
ンサ。 【請求項32】 前記エラストマは発泡材料でありたとえば EVAZOTE (商
標)発泡材料である、請求項23または24記載の接触センサ。 【請求項33】 前記エラストマは発泡材料でありたとえば EVAZOTE (商
標)発泡材料である、請求項25記載の接触センサ。 【請求項34】 2つよりも多くの部材が互いに支持され合っており、該部
材のうち少なくとも1つは異なる厚さおよび/または異なる材料特性をもつ、請
求項25記載の接触センサ。 【請求項35】 2つよりも多くの部材が互いに重なり合っており、該部材
のうち少なくとも1つは異なる厚さおよび/または異なる材料特性を有している
、請求項33記載の接触センサ。 【請求項36】 前記2つの部材は2次元の曲線領域に合わせて成形されて
いる、請求項23または24記載の接触センサ。 【請求項37】 前記2つの部材は3次元の輪郭領域に合わせてハーフシェ
ル状に成形されている、請求項23または24記載の接触センサ。 【請求項38】 前記2つの部材は3次元輪郭部材を実質的に取り囲む形状
に成形されている、請求項23または24記載の接触センサ。 【請求項39】 前記2つの部材は2次元の幾何学的領域に合わせて成形さ
れている、請求項23または24記載の接触センサ。
Claims: 1. A contact sensor, comprising: at least one first conductive member and a second conductive member, the members being supported by each other in a support region; At least one of the members is formed of an elastomer; a contact resistance between the two members is measured; the contact resistance is at least dependent on a pressure in a support region; The touch sensor, characterized in that the two-dimensional area is part of a flexible keyboard and forms an input interface to a computer or other device. 2. The contact sensor according to claim 1, wherein the at least two vertically overlapping members are made of an elastomer. 3. The contact sensor according to claim 1, wherein at least one member comprises an elastomer, for example, comprises a foam material, and the other member comprises a metal. 4. The contact sensor according to claim 1, wherein an intermediate layer is inserted between the first conductive member and the second conductive member. 5. The contact sensor according to claim 2, wherein an intermediate layer is inserted between the first conductive member and the second conductive member. 6. The contact sensor according to claim 2, wherein each member of the elastomer has at least one electrode, for example, a wire mesh pressed against the individual members. 7. The contact sensor according to claim 2, wherein each member made of the elastomer has at least one electrode in each member. 8. The contact sensor according to claim 7, wherein the two members are parallelepipeds, and two electrodes are attached along opposing side regions in each of the parallelepipeds. 9. The contact sensor according to claim 1, wherein the elastomer is a foam material, for example, EVAZOTE ™ foam material. 10. The elastomer is a foamed material, such as EVAZOTE (
3. The contact sensor according to claim 2, wherein the contact sensor is a foamed material. 11. The contact sensor according to claim 2, wherein more than two members are supported on one another, at least one of the members having different thicknesses and / or different material properties. 12. The contact sensor according to claim 10, wherein more than two members are supported on one another, at least one of the members having different thicknesses and / or different material properties. 13. The contact sensor according to claim 1, wherein the two members are formed in accordance with a two-dimensional curved area. 14. The touch sensor of claim 1, wherein the flexible keyboard has keys, the number of keys being configurable and repositionable. 15. The touch sensor of claim 1, wherein the flexible keyboard has keys, the size of the keys being configurable and relocatable. 16. The touch sensor according to claim 1, wherein the flexible keyboard has keys, and the positions of the keys are configurable or repositionable. 17. The touch sensor according to claim 1, wherein the other device is a personal digital assistant or a mobile phone or a laptop computer. 18. The touch sensor according to claim 1, wherein the other device is a personal digital assistant or a mobile phone. 19. The touch sensor according to claim 1, wherein the flexible keyboard is incorporated into a portion of a portable computer case. 20. The touch sensor according to claim 1, wherein the flexible keyboard forms an input interface as a mass pad for performing an input based on a touch of a finger. 21. A contact sensor, wherein at least one first conductive member and a second conductive member are provided, said members being supported by each other in a support region, and at least one of said members is provided. One member comprises a foamable elastomer; the contact resistance between the two members is measured; the contact resistance is at least dependent on the pressure in the support region; the member is shaped to a two-dimensional region; Is a part of a flexible keyboard, a touch sensor. 23. A contact sensor, comprising: at least one first conductive member and a second conductive member, wherein the conductive members are supported by each other in a support region, and At least one
The two members are made of an elastomer, the contact resistance between the two members is measured, the contact resistance is at least dependent on the pressure in the support region, and the two members are shaped to a two-dimensional region; The contact sensor, wherein the area is part of an ergonomic furniture product. 24. A contact sensor, comprising: at least one first conductive member and a second conductive member, wherein the conductive members are supported by each other in a support region, and among the members, At least one member is made of an elastomer; a contact resistance between the two members is measured; the contact resistance is at least dependent on a pressure in the support region; and the two members are shaped to a two-dimensional region Wherein said region is a part of a toy, said member being provided with an electrode, wherein a unique reaction by said toy is caused by contact made to a member in said region. Contact sensor. 25. The contact sensor according to claim 23, wherein the at least two vertically overlapping members are made of an elastomer. 26. The contact sensor according to claim 23, wherein at least one member comprises an elastomer, for example, a foam material, and the other member comprises a metal. 27. The contact sensor according to claim 23, wherein an intermediate layer is inserted between the first conductive member and the second conductive member. 28. The contact sensor according to claim 25, wherein an intermediate layer is inserted between the first conductive member and the second conductive member. 29. The contact sensor according to claim 23, wherein each member made of the elastomer has at least one electrode, which is made of, for example, a wire mesh and is pressed against the individual member. 30. The contact sensor according to claim 25, wherein each member of the elastomer has at least one electrode in each member. 31. The contact sensor according to claim 30, wherein the two members are parallelepipeds, and electrodes are attached along opposing side surfaces of each of the parallelepipeds. 32. The contact sensor according to claim 23, wherein the elastomer is a foam material, for example, an EVAZOTE ™ foam material. 33. The contact sensor according to claim 25, wherein the elastomer is a foam material, for example, an EVAZOTE ™ foam material. 34. The contact sensor according to claim 25, wherein more than two members are supported on one another, at least one of the members having different thicknesses and / or different material properties. 35. The contact sensor according to claim 33, wherein more than two members overlap one another, at least one of the members having different thicknesses and / or different material properties. 36. The contact sensor according to claim 23, wherein the two members are formed according to a two-dimensional curved area. 37. The contact sensor according to claim 23, wherein the two members are formed in a half-shell shape in conformity with a three-dimensional contour region. 38. The contact sensor according to claim 23, wherein the two members are shaped so as to substantially surround a three-dimensional contour member. 39. The contact sensor according to claim 23, wherein the two members are shaped according to a two-dimensional geometric region.
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