AT504406B1 - MEASURING DEVICE - Google Patents
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Description
2 AT 504 406 B12 AT 504 406 B1
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung umfassend zumindest einen flächenhaften Sensor und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln einer, auf einem vordefinierbaren Abschnitt des flächenhaften Sensors einwirkenden Kraft, wobei der flächenhafte Sensor zumindest eine Trägerlage aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum, eine Elektrodenanordnung und gegebenenfalls eine Ausleseeinrichtung umfasst und wobei die Trägerlage eine erste und zweite Auflagefläche aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und über die Dicke der Trägerlage voneinander distanziert sind und die Elektrodenanordnung unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebracht ist und zumindest eine, durch eine leitende Schicht gebildeten Elektrode umfasst und gegebenenfalls die Ausleseeinrichtung zumindest eine, aus elektronischen Bauelementen gebildete Schaltmatrix umfasst, wobei jede Elektrode mittels einer isolierten, elektrisch leitenden Verbindungsleitung mit der Ausleseeinrichtung verbunden ist und wobei die Auswerteeinrichtung mit der Ausleseinrichtung über ein Verbindungsmittel verbunden ist und in Abhängigkeit von der Veränderung der relativen Position der Elektroden in zur Auflagefläche der Trägerlage senkrechten Richtung unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt.The invention relates to a measuring device comprising at least one planar sensor and an evaluation device for determining a, acting on a predefinable portion of the planar sensor force, wherein the planar sensor at least one carrier layer of a flexible, electrically charged and elastically recoverable deformable polymer foam, an electrode assembly and optionally a read-out device comprises and wherein the carrier layer has a first and second bearing surface, which are substantially parallel to each other and spaced apart by the thickness of the carrier layer and the electrode assembly is applied directly to the two bearing surfaces of the carrier layer and at least one, formed by a conductive layer Electrode comprises and optionally the read-out device comprises at least one, formed of electronic components switching matrix, each electrode by means of an isolated, elec The evaluation device is connected to the read-out device via a connecting means and generates different output signals as a function of the change in the relative position of the electrodes in the direction perpendicular to the contact surface of the carrier layer.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Messvorrichtung, welche zumindest einen flächenhaften Sensor umfasst und wobei der flächenhafte Sensor zumindest eine Trägerlage aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum, eine Elektrodenanordnung und eine Ausleseeinrichtung umfasst und wobei die Trägerlage eine erste und zweite Auflagefläche aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und über die Dicke der Trägerlage voneinander distanziert sind und die Elektrodenanordnung unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebracht ist und zumindest eine, durch eine leitende Schicht gebildete Elektrode umfasst und wobei die Elektroden auf die Auflageflächen aufgedruckt und/oder aufgedampft werden und die Ausleseeinrichtung zumindest eine aus elektronischen Bauelementen gebildete Schaltmatrix umfasst, wobei jede Elektrode mittels einer isolierten, elektrisch leitenden Verbindungsleitung mit der Ausleseeinrichtung verbunden ist und wobei die isolierte Verbindungsleitung unmittelbar auf die Auflagefläche des Polymerschaums bzw. auf die Elektrode oder Elektrodenanordnung aufgedruckt bzw. aufgedampft wird.The invention also relates to a method for producing the measuring device, which comprises at least one planar sensor and wherein the planar sensor comprises at least one carrier layer of a flexible, electrically charged and elastically recoverable deformable polymer foam, an electrode assembly and a read-out device and wherein the carrier layer has a first and second contact surface, which are substantially parallel to each other and are spaced apart over the thickness of the carrier layer and the electrode assembly is applied directly to the two bearing surfaces of the carrier layer and at least one, formed by a conductive layer electrode and wherein the electrodes printed on the support surfaces and / or vapor-deposited and the read-out device comprises at least one switching matrix formed of electronic components, each electrode being connected by means of an insulated, electrically conductive connecting line g is connected to the read-out device and wherein the isolated connection line is printed or vapor-deposited directly onto the contact surface of the polymer foam or onto the electrode or electrode arrangement.
Weiters betrifft die Erfindung die Verwendung der Messvorrichtung zum Messen einer Kraft, die auf einem vordefinierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt und ein Verfahren zum Messen einer Kraft, die auf einem vordefinierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt.Furthermore, the invention relates to the use of the measuring device for measuring a force acting on a predefinable portion of a planar sensor and a method for measuring a force acting on a predefinable portion of a planar sensor.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die bei Einwirken einer Kraft auf einen vordefinierten Abschnitt einer flächenhaften Sensoranordnung, an den unmittelbar auf der Sensoranordnung angebrachten Elektroden, ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Insbesondere sind Vorrichtungen bekannt, die aus einem piezoelektrischen bzw. ferroelektrischen Schaummaterial und unmittelbar darauf angebrachten Elektrodenanordnungen bestehen und wo die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnungen mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind. Eine Krafteinwirkung auf eine derartige Vorrichtung bewirkt eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des Schaummaterials, wodurch sich an den Elektroden beispielsweise eine Änderung des elektrischen Widerstandes oder ein geringer Spannungsimpuls messen läst. Nachteilig ist daran, dass die Auswerteeinrichtung kontinuierlich für jede Elektrode der ersten Elektrodenanordnung sequentiell alle Elektroden der zweiten Elektrodenanordnung überwachen muss, um bei einer sich einstellenden Änderung der physikalischen Eigenschaften des Schaummaterials, ein entsprechendes Ausgangssignal für die weitere Verarbeitung zur Verfügung stellen zu können. Die kontinuierliche Überwachung benötigt permanent Energie, was im Hinblick auf die Betriebsdauer von nicht permanent mit Energie versorgten Geräten nachteilig ist.Devices are known from the prior art, which generate an electrical output signal when a force acts on a predefined section of a planar sensor arrangement on the electrodes mounted directly on the sensor arrangement. In particular, devices are known which consist of a piezoelectric or ferroelectric foam material and electrode assemblies mounted directly thereon and where the individual electrodes of the electrode arrangements are connected to an evaluation device. A force on such a device causes a change in the physical properties of the foam material, which can be measured at the electrodes, for example, a change in electrical resistance or a small voltage pulse. A disadvantage is that the evaluation device must continuously monitor for each electrode of the first electrode assembly sequentially all the electrodes of the second electrode assembly in order to be able to provide a corresponding output signal for further processing in a self-adjusting change in the physical properties of the foam material. The continuous monitoring requires permanent energy, which is disadvantageous in terms of the operating life of non-permanently powered devices.
Insbesondere sind aus dem Stand der Technik matrixartige Elektrodenanordnungen bekannt, bei denen die Elektroden streifenförmig ausgebildet und in den beiden parallelen Lagen der 3 AT 504 406 B1In particular, matrix-type electrode arrangements are known from the prior art, in which the electrodes are strip-shaped and in the two parallel layers of the invention
Auflagefläche des Schaummaterials um 90° zueinander verdreht angeordnet sind. Zur Ermittlung der Position einer einwirkenden Kraft ist es daher erforderlich, dass die Auswerteeinrichtung kontinuierlich und wechselweise alle Elektroden der beiden Lagen überprüft, um so eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektroden befindlichen Schaummaterials zu erfassen.Support surface of the foam material are arranged rotated by 90 ° to each other. To determine the position of an acting force, it is therefore necessary that the evaluation continuously and alternately checks all the electrodes of the two layers, so as to detect a change in the physical properties of the located between the electrodes foam material.
Aus der US 4,328,441 A ist eine dreilagige, aus zwei piezoelektrischen Polymerschichten und einer Isolierschicht bestehende Sensoranordnung bekannt. Auf jeder Auflagefläche der piezoelektrischen Polymerschicht sind unmittelbar mit dieser verbundene, elektrisch leitende Lagen aufgebracht, wobei jeweils eine erste Lage als Flächenelektrode und die zweite Lage als Streifenelektrode ausgebildet ist. Die erste und zweite piezoelektrische Polymerschicht mit den jeweils aufgebrachten elektrisch leitenden Lagen wird nun so angeordnet, dass die beiden Streifenelektroden einander gegenüber liegen und in ihrer parallel zur Auflagefläche liegenden Ebene um 90° gegeneinander verdreht sind. Zwischen diesen beiden Polymerschichten ist weiters eine Isolierschicht angeordnet, wobei die beiden Auflageflächen der Isolierschicht mit den auf der Auflagefläche der ersten und zweiten Polymerschicht aufgebrachten Streifenelektroden unmittelbar verbunden sind. Auf den, der Isolierschicht abgewandten äußeren Seiten der beiden Polymerschichten, befinden sich daher die flächenhaften Elektroden. Als mechanischen Schutz wird an den beiden Außenseiten der Sensoranordnung eine strukturierte Schicht angebracht. In dieser Schicht sind Aussparungen angebracht, um z.B. den Druckelementen einer Tastatur den Kontakt mit der Sensoranordnung zu ermöglichen. Weiters wird beschrieben, dass die beiden Flächenelektroden mit einem definierten elektrischen Potential, vorzugsweise Masse, verbunden werden und dass jede der Streifenelektroden über eine Auswahleinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden wird. Zur Ermittlung einer Krafteinwirkung bzw. eines Druckpunkts muss die Auswerteeinrichtung demnach für jede Streifenelektrode der ersten Elektrodenanordnung, alle Streifenelektroden der um 90° verdrehten, zweiten Elektrodenanordnung überprüfen, um eine sich ergebende Änderung der physikalischen Eigenschaften feststellen zu können. Dieser Vorgang muss kontinuierlich für alle Streifenelektroden der beiden Elektrodenanordnungen wiederholt werden.From US 4,328,441 A a three-layer, consisting of two piezoelectric polymer layers and an insulating sensor array is known. On each bearing surface of the piezoelectric polymer layer are applied directly connected to this, electrically conductive layers, wherein in each case a first layer is formed as a surface electrode and the second layer as a strip electrode. The first and second piezoelectric polymer layer with the respectively applied electrically conductive layers is now arranged so that the two strip electrodes are opposite to each other and are rotated in its plane parallel to the support surface by 90 ° from each other. An insulating layer is further arranged between these two polymer layers, the two contact surfaces of the insulating layer being directly connected to the strip electrodes applied to the contact surface of the first and second polymer layers. The planar electrodes are therefore located on the outer sides of the two polymer layers facing away from the insulating layer. As a mechanical protection, a structured layer is applied to the two outer sides of the sensor arrangement. Recesses are provided in this layer, e.g. allow the printing elements of a keyboard contact with the sensor assembly. Furthermore, it is described that the two surface electrodes are connected to a defined electrical potential, preferably ground, and that each of the strip electrodes is connected to an evaluation device via a selection device. To determine a force or a pressure point, the evaluation must therefore check for each strip electrode of the first electrode assembly, all strip electrodes of the rotated by 90 °, the second electrode assembly in order to determine a resulting change in physical properties can. This process must be repeated continuously for all strip electrodes of the two electrode arrangements.
Die WO 2005/068961 A1 offenbart eine Sensoranordnung bei der ein Sensorelement dadurch gebildet ist, dass zwischen zwei auf den Auflageflächen einer Trägerlage aufgebrachten Elektrodenanordnungen ein druckempfindliches Material angebracht ist. Die einzelnen Sensorelemente sind unabhängig voneinander und in der Ebene der Sensoranordnung in gewissen Grenzen frei beweglich. Dadurch ist eine größtmögliche Anpassung an unregelmäßig geformte Unterlagen erreichbar. Eine weitere offenbarte Ausbildung ermöglicht eine Bewegung der Sensoren auch in Richtung senkrecht zur Ebene der Sensorelemente. Um die freie Beweglichkeit zu ermöglichen, sind die elektrisch leitenden Zuleitungen zu den einzelnen Sensorelementen spiralförmig ausgebildet und das Trägermaterial ist entlang dieser Spirale ausgeschnitten. Die Länge der Zuleitung legt daher die Beweglichkeit des Sensorelements fest. Die einzelnen Sensorelemente verbindenden Leitungen sind wiederum in einer Matrix, als Spalten- und Zeilenverbindungen, ausgebildet. Zur Positionsbestimmung sind daher auch hier kontinuierlich und wiederholend für jede Spaltenverbindung alle Zeilenverbindungen zu prüfen, um eine sich ergebende Änderung der physikalischen Eigenschaften des druckempfindlichen Materials feststellen zu können.WO 2005/068961 A1 discloses a sensor arrangement in which a sensor element is formed in that a pressure-sensitive material is attached between two electrode arrangements applied to the bearing surfaces of a carrier layer. The individual sensor elements are freely movable within certain limits independently of one another and in the plane of the sensor arrangement. This achieves the greatest possible adaptation to irregularly shaped documents. Another disclosed embodiment allows movement of the sensors also in the direction perpendicular to the plane of the sensor elements. In order to allow the free mobility, the electrically conductive leads to the individual sensor elements are formed spirally and the carrier material is cut along this spiral. The length of the supply line therefore determines the mobility of the sensor element. The individual sensor elements connecting lines are in turn formed in a matrix, as column and row connections. To determine the position, all line connections must therefore be continuously and repeatedly tested for each column connection in order to be able to determine a resulting change in the physical properties of the pressure-sensitive material.
Aus der US 2003/0146675 A1 sind mehrere Ausbildungen von piezoelektrischen Messwertwandlern bzw. Messwertumformern bekannt. Gemäß einer offenbarten Ausbildung ist eine Polymerfolie oder ein dünner keramischer piezoelektrischer Messwertumformer durch eine Mehrzahl von piezoelektrischen (aktiven) und dielektrischen (inaktiven) Lagen gebildet. Um ein zweidimensionales Polarisationsprofil ausbilden zu können, das über der Fläche der piezoelektrischen Struktur geringfügig variiert, sind auf einer Oberfläche des Messwertumwandlers Schaltkreis-Strukturen aufgebracht. Piezoelektrische Sensoren und Messwertwandler haben im Bereich der Vibrationserkennung breite Anwendung gefunden. Dabei wird eine piezoelektrische Schichtanordnung auf einer vibrierenden Struktur angeordnet und die sich durch die Vibration 4 AT 504 406 B1 einstellende Ladungsänderung über Elektroden abgegriffen. Ein Vorteil eines piezoelektrischen Materials liegt insbesondere darin, dass durch Aufbringen einer entsprechenden elektrischen Spannung, der Messwertumwandler zum gezielten Aufbringen einer Deformation geeignet ist und somit eine so genannte aktive Schwingungsdämpfung möglich ist. Der beschriebene Messwertumwandler ist daher zur Erfassung einer Schwingung und gleichzeitig und aktiven Dämpfung dieser Schwingung ausgebildet. Um diese Technologie effizient einsetzen zu können ist es erforderlich, dass die piezoelektrische Polarisation der Schichtanordnung über der Oberfläche des Messwertumwandlers in einer definierten Art variiert. Da eine gezielte Festlegung eines Polarisationsprofils schwierig auszubilden ist, offenbart die US 2003/0146675 A1 des Weiteren" auch segmentierte piezoelektrische Sensoren, bei denen der verteilte piezoelektrische Effekt einer Schichtanordnung, durch eine Anordnung diskreter piezoelektrischer Sensoren ersetzt wird und das Messergebnis jedes einzelnen Sensors bewertet und gewichtet wird. Durch diese Ausbildung wird eine produktionstechnische Festlegung einer Verteilungsfunktion der piezoelektrischen Empfindlichkeit, durch eine technisch-elektronische Auswertung ersetzt. Das Dokument offenbart ferner, dass der piezoelektrische Messwertumformer durch eine Mehrlagenstruktur gebildet ist, wobei sich piezoelektrisch aktive und inaktive Schichtstrukturen abwechseln und weiters selektive Metallisierungen auf den inaktiven Schichten angeordnet sind, um -so eine zweidimensionale Verteilungsfunktion der piezoelektrischen Empfindlichkeit auszubilden. Es ist ferner offenbart, dass Polymerfolien für die einzelnen Schichten verwendet werden können, wobei diese ggf. doppelseitig metallisiert sein können. Die mittlere aktive Schicht kann durch eine piezoelektrische PVDF Folie gebildet sein.From US 2003/0146675 A1, several embodiments of piezoelectric transducers or transducers are known. According to a disclosed embodiment, a polymeric film or a thin ceramic piezoelectric transducer is formed by a plurality of piezoelectric (active) and dielectric (inactive) layers. In order to form a two-dimensional polarization profile that varies slightly over the surface of the piezoelectric structure, circuit structures are applied to a surface of the transducer. Piezoelectric sensors and transducers have found wide application in the field of vibration detection. In this case, a piezoelectric layer arrangement is arranged on a vibrating structure and the changes in charge occurring due to the vibration are picked off via electrodes. An advantage of a piezoelectric material is in particular that by applying a corresponding electrical voltage, the transducer is suitable for the targeted application of a deformation and thus a so-called active vibration damping is possible. The measured value converter described is therefore designed to detect a vibration and at the same time and active damping of this vibration. In order to be able to use this technology efficiently, it is necessary for the piezoelectric polarization of the layer arrangement to vary over the surface of the transducer in a defined manner. Since a targeted definition of a polarization profile is difficult to form, US 2003/0146675 A1 further discloses " also segmented piezoelectric sensors in which the distributed piezoelectric effect of a layer arrangement is replaced by an array of discrete piezoelectric sensors and the measurement result of each individual sensor is evaluated and weighted. By this training, a production-technical definition of a distribution function of the piezoelectric sensitivity, replaced by a technical-electronic evaluation. The document further discloses that the piezoelectric transducer is formed by a multilayer structure with piezoelectrically active and inactive layer structures alternating and further selective metallizations disposed on the inactive layers so as to form a two-dimensional distribution function of piezoelectric sensitivity. It is further disclosed that polymer films can be used for the individual layers, which may optionally be metallized on both sides. The middle active layer may be formed by a piezoelectric PVDF film.
Die Schrift DE 198 33 928 A1 offenbart eine geometrische Sensoreinrichtung mit in einem Flexileiterband integrierten elektronischen Bauelementen. Es ist bekannt, einen Sensorchip über ein Flexileiterband mit entfernt angeordneten Leiterplatten elektrisch zu verbinden, wobei auf dieser Leiterplatte weitere Bauelemente angeordnet sein können. Bei einer entsprechend hohen Anzahl von zu erfassenden Sensoren und damit zu übertragenden analogen Signalen, muss ein Flexileiterband sehr viele Leitungsverbindungen bereitstellen und ist dann entsprechend breit ausgebildet. Das Dokument offenbart nun eine Sensoreinrichtung, bei der eine möglichst geringe Anzahl von Flexileiterband-Ausgängen erforderlich ist und wobei weiters eine möglichst geringe Baugröße der biometrischen Sensoreinrichtung möglich ist. Da elektronische Bauelemente nicht wie bisher auf den nachgeschalteten starren Leiterblatten angeordnet werden, sondern direkt auf dem Flexileiterband montiert werden, wird somit ein Flexileiterband mit integrierten elektronischen Zusatzfunktionen geschaffen. Das Dokument offenbart ferner, dass ein Sensorchip in ein, aus Kunststoff bestehendes Chipgehäuse eingebettet ist, wobei die aktive Sensorfläche zur Erkennung von Fingerminutien ausgebildet ist. Zur Weiterleitung der elektrischen Signale des Sensorchips ist dieser mittels Anschlussdrähten mit den Leiterbahnen eines Flexileitersbands elektrisch verbunden. Das Flexileiterband besteht aus einem hoch flexiblen, nicht leitenden Trägermaterial, auf dem strukturierte Leiterbahnen aufgebracht sind.Document DE 198 33 928 A1 discloses a geometric sensor device with electronic components integrated in a flexi conductor strip. It is known to electrically connect a sensor chip via a flexi conductor strip with printed circuit boards arranged at a distance, wherein further components can be arranged on this printed circuit board. With a correspondingly high number of sensors to be detected and thus analog signals to be transmitted, a flexi conductor tape must provide a great many line connections and is then correspondingly wide. The document now discloses a sensor device in which the smallest possible number of flexi conductor strip outputs is required, and wherein furthermore the smallest possible size of the biometric sensor device is possible. Since electronic components are not arranged as before on the downstream rigid printed circuit boards, but are mounted directly on the Flexileiterband, thus a Flexileiterband is created with integrated electronic auxiliary functions. The document further discloses that a sensor chip is embedded in a, consisting of plastic chip housing, wherein the active sensor surface is designed for the detection of finger minutiae. To forward the electrical signals of the sensor chip this is electrically connected by means of connecting wires with the tracks of a Flexileitersbands. The flexi conductor strip consists of a highly flexible, non-conductive carrier material, on which structured conductor tracks are applied.
Das Dokument GB 2 138 144 A offenbart einen laminierten, folienartigen Messwertumformer, der ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von den einwirkenden mechanischen Kräften abgibt. Der offenbarte piezoelektrische Messwertumwandler basiert auf einem Material welches eine elektrische Ladung erzeugt, die proportional zu einer einwirkenden Kraft bzw. zu einer auftretenden Verformung ist. Dies ist als piezoelektrischer Effekt bekannt. Der Messwertumwandler umfasst eine obere und untere flexible Schicht, wobei auf den jeweils zugewandten Flachseiten gleichmäßig verteilte konvexe Strukturelemente angeordnet sind. Diese Elemente sind derart angeordnet, dass sie bei der Anordnung der Schichten zum Messwertumwandler, jeweils in den Freiraum der gegenüberliegenden Strukturelemente zu liegen kommen. Zusätzlich ist als aktives Element eine Folie aus einem Polymerharz zwischen der oberen und unteren Schicht angeordnet, wobei es bei einwirken einer Kraft auf die obere oder untere Schicht zu einer Dehnung der Polymerfolie kommt, da die konvexen Strukturelemente die Polymerfolie aus der weitestgehend geradlinigen Erstreckung, in die jeweils gegenüberliegenden Freibereiche dehnen. 5 AT 504 406 B1Document GB 2 138 144 A discloses a laminated film-type transducer which outputs an output signal in response to the applied mechanical forces. The disclosed piezoelectric transducer is based on a material that generates an electrical charge that is proportional to an applied force or strain. This is known as a piezoelectric effect. The measured value converter comprises an upper and a lower flexible layer, wherein uniformly distributed convex structural elements are arranged on the respectively facing flat sides. These elements are arranged such that they come to lie in the arrangement of the layers to the transducer, respectively in the space of the opposing structural elements. In addition, as an active element, a film of a polymer resin between the upper and lower layer is arranged, wherein upon application of a force on the upper or lower layer to an elongation of the polymer film comes because the convex structural elements of the polymer film of the substantially rectilinear extent, in stretch the opposite outdoor areas. 5 AT 504 406 B1
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Messvorrichtung zur Bestimmung von örtlich verteilt einwirkenden Kräften zu schaffen, die sich flexibel an bauliche Gegebenheiten anpassen lässt und die einen geringen Energieverbrauch aufweist.The object of the present invention is to provide a measuring device for determining locally distributed acting forces, which can be flexibly adapted to structural conditions and has a low energy consumption.
Die Aufgabe der Erfindung wird jeweils eigenständig dadurch gelöst, dass • die elektronischen Bauelemente unmittelbar auf der verformbaren, flexiblen und elastisch rückstellbaren Trägerlage angebracht sind • der Auswerteeinrichtung zur Aktivierung durch einen Spannungsimpuls ausgebildet ist • die elektronischen Bauteile unmittelbar auf der Trägerlage aufgebracht werden • eine Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Messen einer Kraft, die auf einem vordefinierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt, verwendet wird • die Auswerteeinrichtung durch eine Krafteinwirkung auf einen Abschnitt des flächenhaften Sensors aktiviert wird.The object of the invention is achieved independently in that • the electronic components are mounted directly on the deformable, flexible and elastically recoverable carrier layer • the evaluation device is designed for activation by a voltage pulse • the electronic components are applied directly to the carrier layer • a measuring device is used according to one of claims 1 to 18 for measuring a force acting on a predefinable portion of a planar sensor, • the evaluation device is activated by a force acting on a portion of the planar sensor.
Dadurch, dass die elektronischen Bauteile der Schaltmatrix der Ausleseeinrichtung -bereits unmittelbar am flächenhaften Sensor angebracht sind, bzw. durch ein anspruchsgemäßes Verfahren aufgebracht werden, erreicht man einen besonders kompakten bzw. Platz sparenden Aufbau des Sensors. Ein weiterer Vorteil einer anspruchsgemäßen Ausbildung ist, dass die Auswahl der Elektroden bereits am Sensor geschieht, wodurch sich die Anzahl der Verbindungsleitungen vom Sensor zur Auswerteeinrichtung reduziert.The fact that the electronic components of the switching matrix of the readout device are already attached directly to the planar sensor, or are applied by a method according to the claim, achieves a particularly compact or space-saving design of the sensor. A further advantage of a development according to the invention is that the selection of the electrodes already takes place at the sensor, as a result of which the number of connecting lines from the sensor to the evaluation device is reduced.
Wird als Trägerlage eines flächenhaften Sensors ein elektrisch geladener Polymerschaum eingesetzt, bewirkt eine Krafteinwirkung auf einen vordefinierbaren Abschnitt des Sensor, an den Elektroden der unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebrachten Elektrodenanordnungen, eine der Krafteinwirkung proportionale Änderung einer elektrischen Kenngröße. Durch die speziellen physikalischen Eigenschaften des elektrisch geladenen Polymerschaums bewirkt eine Krafteinwirkung insbesondere einen Spannungsimpuls. Die Auswerteeinrichtung ist anspruchsgemäß dazu ausgebildet, diesen Spannungsimpuls als ein Aktivierungssignal auszuwerten um beispielsweise aus einem Wartezustand in einen Betriebszustand zu wechseln. Insbesondere bewirkt die Aktivierung der Auswerteeinrichtung, dass diese hernach die Messung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektrodenanordnungen befindlichen Polymerschaums durchführt um so Position und Größe von einwirkenden Kräften zu bestimmen. Eine kontinuierliche, permanent Energie verbrauchende Messung der physikalischen Eigenschaften entfällt bei einer anspruchsgemäßen Ausbildung, wodurch die gegenständliche Erfindung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen den bedeutenden Vorteil bietet, deutlich weniger Energie zu verbrauchen, was sich insbesondere bei nicht an eine permanente Energieversorgung angeschlossenen Geräten in einer deutlich erhöhten Einsatzdauer auswirkt.If an electrically charged polymer foam is used as the carrier layer of a planar sensor, a force acting on a predefinable section of the sensor, at the electrodes of the electrode assemblies applied directly to the two bearing surfaces of the carrier layer, causes a change in an electrical parameter proportional to the action of force. Due to the special physical properties of the electrically charged polymer foam, a force in particular causes a voltage pulse. The evaluation device is according to the claims designed to evaluate this voltage pulse as an activation signal, for example, to change from a waiting state to an operating state. In particular, the activation of the evaluation device causes the latter subsequently to carry out the measurement of the physical properties of the polymer foam located between the electrode arrangements so as to determine the position and size of acting forces. A continuous, permanently energy-consuming measurement of the physical properties is eliminated in a claimed training, whereby the subject invention compared to the known from the prior art devices offers the significant advantage of consuming significantly less energy, which is particularly not connected to a permanent power supply Equipment in a significantly increased duration of use.
Weist die Auswerteeinheit anspruchsgemäß einen Anschluss zur Aktivierung auf, bewirkt ein Spannungsimpuls an diesem Anschluss, dass die Messvorrichtung aus einem Ruhezustand in den aktiven Zustand wechselt und hernach die Messung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektroden befindlichen Polymerschaums durchführt. Dieser Anschluss ist derart vorteilhaft ausgeführt, dass dessen Zustand nicht permanent abgefragt bzw. überprüft werden muss, sondern ein Spannungsimpuls bewirkt eine unmittelbare Aktivierung der Auswerteeinrichtung.If the evaluation unit has a connection for activation in accordance with the requirements, a voltage pulse at this connection causes the measuring device to change from an idle state to the active state and subsequently to measure the physical properties of the polymer foam located between the electrodes. This connection is designed so advantageous that its state does not need to be permanently queried or checked, but a voltage pulse causes an immediate activation of the evaluation.
Durch eine anspruchsgemäße Ausbildung der Auswerteinrichtung mit einem Speichermodul und einem Ausführungsmodul ist die Auswerteeinrichtung in der Lage, im Speichermodul hinterlegte Ablaufanweisungen in das Ausführungsmodul zu laden und von diesem ausführen zu lassen. Eine derartige Ablaufanweisung dient beispielsweise dazu, die Zeilen- und Spaltenelektroden rasterartig abzufragen um so Angriffspunkt und Größe der einwirkenden Kräfte zu ermitteln. Vom Ausführungsmodul wird aus der geänderten physikalischen Kenngröße des Polymerschaums ein weiterverarbeitbares Ausgangssignal erzeugt. 6 AT 504 406 B1By means of a development according to the invention of the evaluation device with a memory module and an execution module, the evaluation device is able to load process instructions stored in the memory module into the execution module and have them executed by it. Such a procedure instruction serves, for example, to scan the row and column electrodes in a grid-like manner so as to determine the point of application and size of the forces acting on them. The execution module generates a further-processed output signal from the changed physical parameter of the polymer foam. 6 AT 504 406 B1
Sind die Bauteile der Schaltmatrix aus der Gruppe umfassend Halbleiter und passive elektronische Komponenten gebildet, lassen sich bereits unmittelbar auf der Trägerlage des flächenhaften Sensors auch komplexere Ausleseschaltungen realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich dadurch die Anzahl der Verbindungsleitungen zwischen Auslese- und Auswerteeinrichtung reduziert und weiters die Auswerteeinrichtung einfacher aufgebaut ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung lässt sich beispielsweise eine Alarmierungsschaltung zur frühzeitigen Warnung vor einer möglichen Überlastung realisieren.If the components of the switching matrix are formed from the group comprising semiconductors and passive electronic components, even more complex read-out circuits can be realized directly on the carrier layer of the planar sensor. This has the advantage that this reduces the number of connecting lines between read-out and evaluation and further the evaluation is simpler. In an advantageous development, for example, an alarming circuit can be implemented for early warning of possible overloading.
Ist zumindest ein halbleitendes Bauelement der Schaltmatrix als ein, aus organischem halbleitenden Material aufgebauter Transistor, bzw. amorpher Siliziumtransistor ausgebildet, welche auf flexiblen, elastisch rückstellbar verformbaren Trägerlagen aufbringbar sind, ist eine kostengünstige Realisierung auch komplexer Ausleseeinrichtungen möglich.If at least one semiconducting component of the switching matrix is formed as a transistor made of organic semiconductive material, or an amorphous silicon transistor can be applied to flexible, elastically recoverable deformable carrier layers, a cost-effective realization of even complex readout devices is possible.
Eine weitere anspruchsgemäße Ausbildung weist zumindest eine, bevorzugt jedoch beide Elektrodenanordnungen oder mehrere, über die Auflagefläche der Trägerlage verteilte Elektroden auf. Insbesondere bevorzugt ist eine Ausbildung als Streifenelektroden, wobei die Streifenelektroden der ersten Elektrodenanordnung gegenüber den Streifenelektroden der zweiten Elektrodenanordnung beispielsweise um 90° verdreht angeordnet sind, wodurch sich eine matrixartige Anordnung als Zeilen- und Spaltenelektroden ergibt. Bei einer Krafteinwirkung auf einen Abschnitt des flächenhaften Sensors, ist an den Elektroden im Abschnitt der Krafteinwirkung eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften messbar. Ein weiterer Vorteil der anspruchsgemäßen Messvorrichtung ist, dass durch die Schaltmatrix die Auswahl der Elektroden bereits am flächenhaften Sensor erfolgt, wodurch sich die Anzahl der Verbindungsleitungen von der Ausleseeinrichtung zur Auswerteeinrichtung deutlich reduziert. Da weiters jede einzelne Elektrode mittels isolierter Verbindungsleitungen über die Ausleseeinrichtung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, ermöglicht ein derart bevorzugt ausgebildeter flächenhafter Sensor die Bestimmung der Kraft und der Position von über die Auflagefläche des Sensors verteilten einwirkenden Kräften.A further embodiment according to the invention has at least one, but preferably both, electrode arrangements or a plurality of electrodes distributed over the contact surface of the carrier layer. Particularly preferred is a design as strip electrodes, wherein the strip electrodes of the first electrode arrangement relative to the strip electrodes of the second electrode arrangement, for example, are arranged rotated by 90 °, resulting in a matrix-like arrangement as row and column electrodes. Upon a force acting on a portion of the planar sensor, a change in the physical properties is measurable at the electrodes in the section of the force. A further advantage of the measuring device according to the invention is that the selection of the electrodes by the switching matrix already takes place on the planar sensor, as a result of which the number of connecting lines from the read-out device to the evaluation device is significantly reduced. Furthermore, since each individual electrode is connected to the evaluation device by means of isolated connection lines via the read-out device, a planar sensor of such a preferred design enables determination of the force and the position of acting forces distributed over the contact surface of the sensor.
Haben alle auf der Trägerlage aufgebrachten Einrichtungen zumindest die Formanpassungsfähigkeit der Trägerlage, ist sichergestellt, dass es bei einer Verformung der Trägerlage, beispielsweise beim Anbringen an eine nicht ebene Fläche, zu keiner Beschädigung, insbesondere Ablösung der aufgebrachten Einrichtungen kommt.If all the devices applied to the carrier layer have at least the conformability of the carrier layer, it is ensured that no deformation, in particular detachment of the applied devices occurs when the carrier layer is deformed, for example when attached to a non-planar surface.
Wird der Polymerschaum aus der Gruppe der geschlossenen Zellularschäume ausgewählt bzw. weist der Polymerschaum einen anspruchsgemäßen quasistatischen piezoelektrischen Koeffizienten auf, erhält man den entscheidenden Vorteil, dass eine Krafteinwirkung auf den Polymerschaum, einen Spannungsimpuls an den, unmittelbar am Polymerschaum aufgebrachten, Elektroden bewirkt. Dies ist ein entscheidender Vorteil der gegenständlichen Erfindung, da dadurch eine permanent Energie benötigende Überwachung der physikalischen Eigenschaften des Schaummaterials nicht mehr erforderlich ist. Insbesondere von Vorteil ist, dass eine größere Dicke des Polymerschaums, an den Elektrodenanschlüssen eine größere Änderung der elektrischen Kenngrößen des Ausgangssignals ergibt.If the polymer foam is selected from the group of closed cellular foams, or if the polymer foam has a quasi-static piezoelectric coefficient as claimed, the decisive advantage is obtained that a force acting on the polymer foam causes a voltage pulse on the electrodes applied directly to the polymer foam. This is a decisive advantage of the subject invention, as a permanent energy-requiring monitoring of the physical properties of the foam material is no longer required. It is particularly advantageous that a greater thickness of the polymer foam results in a greater change in the electrical characteristics of the output signal at the electrode terminals.
Eine Beschichten des flächenhaften Sensors mit einer Schutzschicht gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, ermöglicht einen Einsatz der gegenständlichen Messvorrichtung in einer Umgebung, in der ein erhöhter Schutz vor mechanischen bzw. chemischen Einflüssen erforderlich ist. Der gesamte Sensor und alle darauf angebrachten Einrichtungen, beispielsweise Elektroden und Schaltmatrix, werden flächendeckend mit der Schutzschicht überzogen. Die Ausbildung der Schutzschicht als nicht leitender Kunststoff gestattet es, diese unmittelbar auf der Trägerlage bzw. auf die unmittelbar darauf angebrachten Einrichtungen aufzutragen. Der besondere Vorteil dabei ist, dass keine zusätzlichen Maßnahmen zur elektrischen Isolation der aufgebrachten Einrichtungen untereinander bzw. zur elektrischen Isolation des Sensors gegenüber der Umgebung erforderlich sind. Je nach geplanter Einsatzumgebung kann die Schutzschicht wasserabweisend bzw. UV-beständig ausgeführt sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es weiters 7 AT 504 406 B1 möglich die Schutzschicht derart auszubilden, dass sie auch eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischer Belastung z.B. Knicken, Schneiden, Schläge bzw. chemischen Substanzen z.B. Alkohol, Kohlenwasserstoffe bietet.A coating of the planar sensor with a protective layer according to one of claims 12 to 15, allows use of the subject measuring device in an environment in which increased protection against mechanical or chemical influences is required. The entire sensor and all devices mounted thereon, such as electrodes and switching matrix, are coated with the protective layer nationwide. The formation of the protective layer as a non-conductive plastic makes it possible to apply it directly on the carrier layer or on the immediately attached thereto devices. The particular advantage of this is that no additional measures for electrical insulation of the applied devices with each other or for electrical isolation of the sensor from the environment are required. Depending on the intended environment of use, the protective layer can be water-repellent or UV-resistant. In an advantageous embodiment, it is further possible to form the protective layer such that it also has an increased resistance to mechanical stress, e.g. Kinking, cutting, beating or chemical substances e.g. Alcohol, hydrocarbons provides.
Wenn die Elastizität des Polymerschaums in Richtung der Dicke der Lage höher ist als in Richtung parallel zu den Auflageflächen der Trägerlage, bewirkt eine Krafteinwirkung eine Verformung der Polymerschicht und aller unmittelbar darauf angebrachten Einrichtungen, überwiegend in Richtung der Dicke der Schicht. Da die Auswerteeinrichtung die Position und Größe einer einwirkenden Kraft aufgrund der durch die Krafteinwirkung hervorgerufenen Dickenänderung bestimmt, wird durch die anspruchgemäße Ausführung eine Verfälschung des Messergebnisses weitestgehend vermieden.When the elasticity of the polymer foam in the direction of the thickness of the layer is higher than in the direction parallel to the bearing surfaces of the carrier layer, a force effecting deformation of the polymer layer and all immediately attached thereto devices, mainly in the direction of the thickness of the layer. Since the evaluation determines the position and size of an applied force due to the change in thickness caused by the force, a falsification of the measurement result is largely avoided by the claim.
Wird die Ausleseeinrichtung zur berührungslosen Aktivierung der Auswerteeinrichtung bzw. zur berührungslosen Messwertübertragung ausgebildet, lässt sich die Messvorrichtung auch in Bereichen einsetzen, wo beispielsweise aus baulichen Gründen keine direkte leitungsgebundene Verbindung des flächenhaften Sensors mit der Auswerteinheit möglich ist.If the read-out device is designed for non-contact activation of the evaluation device or for non-contact measured value transmission, the measuring device can also be used in areas where, for structural reasons, for example, no direct line-bound connection of the planar sensor to the evaluation unit is possible.
Durch die Ausbildung der Ausleseeinrichtung mit einem Anschluss für ein Bussystem, lassen sich mehrere flächenhafte Sensoren zu einem Verbund zusammenschalten.By forming the readout device with a connection for a bus system, several planar sensors can be interconnected to form a composite.
Die Bildung eines Verbunds von Messvorrichtungen ermöglicht die anspruchgemäße Ausbildung der Auswerteeinrichtung mit einem Anschluss für ein Bussystem.The formation of a composite of measuring devices makes it possible to design the evaluation device to a connection for a bus system.
Der besondere Vorteil einer Ausbildung der Ausleseeinrichtung bzw. der Auswerteeinrichtung mit einem Anschluss für ein Bussystem liegt darin, dass sich einfach und kostengünstig ein größerer Messverbund aus flächenhaften Sensoren bzw. aus Messvorrichtungen aufbauen lässt. Zusätzliche Komponenten sind in vorteilhafter Weise nicht erforderlich.The particular advantage of designing the read-out device or the evaluation device with a connection for a bus system is that it is simple and cost-effective to set up a larger measurement network of areal sensors or measuring devices. Additional components are not required in an advantageous manner.
Wird die Messvorrichtung in einem Verfahren eingesetzt, das zum Messen einer Kraft dient, die auf einen vordefinierten Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt und bei dem die Krafteinwirkung die Auswerteeinrichtung aktiviert, erhält man den besonderen Vorteil, dass eine permanente Überwachung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektrodeanordnungen befindlichen Polymerschaums nicht erforderlich ist. Durch die anspruchsgemäße Ausbildung ist es vorteilhaft möglich, die Auswerteeinrichtung nur beim Einwirken einer Kraft auf einen Abschnitt des flächenhaften Sensors zu aktivieren und dann die Messung der physikalischen Eigenschaften des Polymerschaums durchzuführen.If the measuring device is used in a method which is used to measure a force acting on a predefined section of a planar sensor and in which the force activates the evaluation device, one obtains the particular advantage that a permanent monitoring of the physical properties of the between Electrode arrangements located polymer foam is not required. Due to the claimed embodiment, it is advantageously possible to activate the evaluation device only when a force acts on a portion of the planar sensor and then to carry out the measurement of the physical properties of the polymer foam.
Einen besonderen Vorteil der gegenständlichen Erfindung erhält man, wenn sich die Auswerteeinrichtung eine vorgebbare Zeit nach der Durchführung der Messung zur Bestimmung der Größe und Position einer einwirkenden Kraft, selbsttätig in einen Energiesparzustand versetzt und in diesem Zustand einen deutlich reduzierten Energieverbrauch aufweist hat. Insbesondere liegt der Stromverbrauch im Energiesparzustand unter 250 μΑ.A particular advantage of the present invention is obtained if the evaluation device automatically sets a predefinable time after the measurement has been carried out to determine the magnitude and position of an applied force in an energy-saving state and has a significantly reduced energy consumption in this state. In particular, the power consumption in the energy-saving state is below 250 μΑ.
Durch die anspruchsgemäße Ausbildung des Verfahrens zum Messen einer Kraft erhält man als entscheidenden Vorteil eine deutliche Reduktion des Energieverbrauchs und damit einhergehend, eine deutliche Verlängerung der Einsatzdauer bei nicht permanent an eine Energiequelle angeschlossenen Geräten.Due to the claimed training of the method for measuring a force is obtained as a decisive advantage a significant reduction in energy consumption and, consequently, a significant extension of the duration of use not permanently connected to a power source devices.
In vorteilhafter Weise lässt sich das Verfahren zum Messen einer Kraft auch in einer Vorrichtung zur Ermittlung der Belegung von Lagerelementen einer Aufbewahrungseinrichtung einsetzen. Bei einer derartigen Ausbildung, wie sie beispielsweise in einem Warenwirtschaftssystem Anwendung findet, umfasst ein Lagerelement zumindest eine nicht unterbrochene Auflagefläche, beispielsweise ein Regalboden, oder mehrere, beispielsweise in Fachelemente abgetrennte Abschnitte der Auflagefläche, sowie eine Steuer- bzw. Kontrolleinrichtung zur Auswertung der Belegungsdaten. Wird ein Stückgut ein einem Lagerelement eingelagert, bewirkt das 8 AT 504 406 B1Advantageously, the method for measuring a force can also be used in a device for determining the occupancy of bearing elements of a storage device. With such a design, as used, for example, in a merchandise management system, a bearing element comprises at least one uninterrupted bearing surface, for example a shelf, or a plurality of sections separated, for example, in compartment elements of the support surface, and a control or monitoring device for evaluating the occupancy data. If a piece goods are stored in a storage element, this causes 8 AT 504 406 B1
Gewicht des Stückguts die Aktivierung der erfindungsgemäß ausgebildeten Auswerteeinrichtung. Nach der Aktivierung ist die Messvorrichtung in der Lage, beispielsweise das Gewicht, die Position innerhalb des Lagerelements und auch die Form der Auflagefläche des Stückguts zu ermitteln und an die Steuer- bzw. Kontrolleinrichtung zu übermitteln. Die Möglichkeit, mehrere Formparameter ohne zusätzliche Einrichtungen, in einem Arbeitsschritt bestimmen zu können, ist ein entscheidender Vorteil der gegenständlichen Erfindung gegenüber den allgemeine bekannten Messvorrichtungen zum Ermitteln einer einwirkenden Kraft.Weight of the piece goods, the activation of the inventively designed evaluation. After activation, the measuring device is able to determine, for example, the weight, the position within the bearing element and also the shape of the bearing surface of the piece goods and to transmit them to the control or monitoring device. The ability to determine several shape parameters without additional facilities, in one step, is a key advantage of the subject invention over the well-known measuring devices for determining an applied force.
In einer weiteren Ausbildung lässt sich das Verfahren zum Messen einer Kraft beispielsweise in einer Vorrichtung zur Ermittlung von Gewichtslasten, insbesondere Schneelasten, auf Abdeckungen bzw. Dächern einsetzen. Bei einer derartigen Ausbildung ist von Vorteil, dass der flächenhafte Sensor der erfindungsgemäßen Messvorrichtung flexibel und elastisch rückstellbar verformbar und mit einer Schutzschicht überzogen ist und daher direkt auf der Abdeckung bzw. auf einer Auflagerfläche der Abdeckung angebracht werden kann.In a further embodiment, the method for measuring a force can be used, for example, in a device for determining weight loads, in particular snow loads, on covers or roofs. In such a design is advantageous that the planar sensor of the measuring device according to the invention is flexibly and elastically recoverable deformable and coated with a protective layer and therefore can be mounted directly on the cover or on a support surface of the cover.
Die Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in the drawings.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:Each shows in a schematically simplified representation:
Fig. 1 einen, zur Darstellung der Elektrodenanordnungen entlang einer Seitenkante aufgeklappten flächenhaften Sensor, ohne Darstellung des Schaummaterials;FIG. 1 shows a planar sensor unfolded along one side edge to illustrate the electrode arrangements, without showing the foam material; FIG.
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des flächenhaften Sensors;FIG. 2 is a perspective view of the planar sensor; FIG.
Fig. 3 eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung des flächenhaften Sensors;3 is a cutaway perspective view of the planar sensor;
Fig. 4 eine nicht maßstabs- und formgetreue Schnittdarstellung gemäß Figur 2, jedoch mit aufgebrachter Schutzschicht;FIG. 4 is a sectional view which is not true to scale and shape according to FIG. 2, but with the protective layer applied; FIG.
Fig. 5 die Messvorrichtung, eine Zusammenschaltung mehrerer Sensoren und eine Zusammenschaltung;5 the measuring device, an interconnection of several sensors and an interconnection;
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild der Ausleseeinrichtung.Fig. 6 is a schematic diagram of the readout device.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.By way of introduction, it should be noted that in the differently described embodiments, the same parts are provided with the same reference numerals or the same component names, wherein the disclosures contained in the entire description can be mutatis mutandis to the same parts with the same reference numerals or component names. Also, the location information chosen in the description, such as top, bottom, side, etc. related to the immediately described and illustrated figure and are to be transferred to the new situation mutatis mutandis when a change in position. Furthermore, individual features or combinations of features from the different exemplary embodiments shown and described can also represent independent, inventive or inventive solutions.
Fig. 1 zeigt den flächenhaften Sensor 13, der zur anschaulichen Darstellung entlang «iner Seitenkante in der Mitte der Dicke des Polymerschaums aufgeklappt ist. Der Polymerschaum ist in dieser Figur nicht dargestellt. Die Figur zeigt weiters die unmittelbar auf der ersten und zweiten Auflagefläche des Polymerschaums aufgebrachten Elektrodenanordnungen 5. Die Elektroden 6 der Elektrodenanordnung sind als Streifenelektroden ausgebildet und in der Ebene ihrer Auflagefläche verdreht gegeneinander angeordnet, hier beispielsweise um 90°, wodurch sich eine gitterartige Anordnung von Zeilen- und Spaltenelektroden 23, 24 ergibt. Jede einzelne Elektrode ist über eine isolierte Verbindungsleitung 7 mit der Ausleseeinrichtung 9 verbunden. Mehrere flächenhafte Sensoren lassen sich mittels eines Bussystems über den Anschluss 10 zu einem Sensorverbund zusammenschalten.Fig. 1 shows the planar sensor 13, which is flipped for illustrative representation along «iner side edge in the middle of the thickness of the polymer foam. The polymer foam is not shown in this figure. The figure also shows the electrode arrangements 5 applied directly to the first and second contact surface of the polymer foam. The electrodes 6 of the electrode arrangement are designed as strip electrodes and twisted against one another in the plane of their contact surface, here for example by 90 °, resulting in a lattice-like arrangement of lines and column electrodes 23, 24. Each individual electrode is connected to the read-out device 9 via an insulated connecting line 7. Several planar sensors can be interconnected by means of a bus system via the terminal 10 to form a sensor network.
Fig. 2 zeigt den flächenhaften Sensor 13 in perspektivischer Ansicht. Die Elektroden 6 der Elektrodenanordnung 5 sind auf der ersten und zweiten Auflagefläche 3, 4 des Polymerschaums 2, beispielsweise eines Polypropylenschaums, aufgebracht und durch die Dicke 8 des 9 AT 504 406 B1Fig. 2 shows the planar sensor 13 in a perspective view. The electrodes 6 of the electrode arrangement 5 are applied to the first and second support surface 3, 4 of the polymer foam 2, for example a polypropylene foam, and are applied through the thickness 8 of FIG. 9A 504 406 B1
Polymerschaums voneinander distanziert. Jede einzelne Elektrode der Elektrodenanordnung ist nun über eine isolierte Verbindungsleitung 7 mit einer Ausleseeinrichtung 9 verbunden. Diese Ausleseeinrichtung ist dahingehend ausgebildet, sequentiell für jede Zeilenelektrode 23 der ersten Elektrodenanordnung, jede Spaltenelektrode 24 der zweiten Elektrodenanordnung aus-5 zuwählen. Durch diese Art der Elektrodenauswahl wird in einem vollständigen Durchlauf jeder Kreuzungspunkt der beiden Elektrodenanordnungen einmal ausgewählt und damit einhergehend die elektrischen Eigenschaften des zwischen den beiden Elektroden befindlichen Polymerschaums bestimmt. io Fig. 3 zeigt einen aufgeschnittenen flächenhaften Sensor aus Figur 2, wobei der Polymerschaum nicht dargestellt ist. Deutlich erkennbar ist hier die gitterartige Anordnung der Zeilen-und Spaltenelektroden 23, 24, die über die Dicke 8 der Trägerlage distanziert sind. Die Figur zeigt auch die Schutzschicht 12 die den gesamten flächenhaften Sensor, inklusive aller darauf angebrachten Einrichtungen bedeckt. Es ist aber auch eine andere Ausbildung der Elektroden 15 möglich. Beispielsweise kann jede Streifenelektrode in einzelne Elektroden aufgeteilt sein, aber auch andere geometrische Formen der Elektroden sind möglich, beispielsweise als kreisrunde Ausbildung.Polymer foam distanced from each other. Each individual electrode of the electrode assembly is now connected via an insulated connection line 7 to a read-out device 9. This readout means is arranged to sequentially select, for each row electrode 23 of the first electrode array, each column electrode 24 of the second electrode array of Fig. 5. By means of this type of electrode selection, each crossing point of the two electrode arrangements is selected once in a complete pass, and consequently the electrical properties of the polymer foam located between the two electrodes are determined. FIG. 3 shows a cut-open planar sensor from FIG. 2, wherein the polymer foam is not shown. Clearly recognizable here is the lattice-like arrangement of the row and column electrodes 23, 24, which are spaced apart via the thickness 8 of the carrier layer. The figure also shows the protective layer 12 which covers the entire planar sensor, including all devices mounted thereon. But it is also a different design of the electrodes 15 possible. For example, each strip electrode can be divided into individual electrodes, but also other geometric shapes of the electrodes are possible, for example as a circular formation.
Fig. 4 zeigt einen flächenhaften Sensor 13 aufgeschnitten gemäß Schnitt IV aus Figur 2. Die 20 Zeilen- und Spaltenelektroden 23, 24 sind unmittelbar auf der ersten und zweiten Auflagefläche 3, 4 des Polymerschaums 2 aufgebracht. Zum Schutz des Sensors vor mechanischen bzw. physikalisch/chemischen Einflüssen, ist auf der gesamten Oberfläche des Sensors eine durchgehend umlaufende Schutzschicht 12 aufgebracht, die aus einem nicht leitenden Kunststoff besteht. Insbesondere bedeckt die Schutzschicht die beiden Auflageflächen 3, 4, die Elektroden 25 6 der Elektrodenanordnungen und die Stirnseitenkanten 11 des Sensors. Die Schutzschicht kann beispielsweise aber auch durch einen nicht leitenden Lack gebildet sein. Insbesondere kann die Schutzschicht aus allen jenen Materialien gebildet sein, die nicht leiten und ohne mechanische bzw. physikalisch/chemische Beeinträchtigung des flächenhaften Sensors auf diesen aufgebracht werden kann. 30FIG. 4 shows a planar sensor 13 cut open in accordance with section IV from FIG. 2. The 20 row and column electrodes 23, 24 are applied directly to the first and second support surfaces 3, 4 of the polymer foam 2. To protect the sensor against mechanical or physical / chemical influences, a continuous circumferential protective layer 12 is applied to the entire surface of the sensor, which consists of a non-conductive plastic. In particular, the protective layer covers the two bearing surfaces 3, 4, the electrode 25 6 of the electrode assemblies and the front side edges 11 of the sensor. The protective layer may, for example, also be formed by a non-conductive lacquer. In particular, the protective layer can be formed from all those materials which can not be conducted and applied to it without mechanical or physical / chemical impairment of the planar sensor. 30
Fig. 5 zeigt die gegenständliche Messvorrichtung 1, umfassend den flächenhaften Sensor 13 und eine Auswerteeinrichtung 14, wobei die Auswerteeinrichtung überein Verbindungsmittel 15 mit der ersten Ausleseeinrichtung 9 verbunden ist. Dieses Verbindungsmittel kann beispielsweise als elektrisch leitende Verbindung ausgeführt sein, gemäß einem der Ansprüche kann es 35 aber auch als eine drahtlose Verbindung ausgebildet sein. Ein auf dem Sensor angebrachter Anschluss 10 ermöglicht eine Zusammenschaltung von mehreren Sensorelementen 13 über ein Bussystem 19 zu einem größeren Sensorverbund 18. Auch lässt sich eine Auswerteeinrichtung 14 durch Anschluss 20 eines Bussystems 21 mit einer weiteren Messvorrichtung 1 verbinden 22. Der Anschluss 25 ist derart ausgebildet, dass ein Spannungsimpuls der von einer Kraftein-40 Wirkung auf den flächenhaften Sensor hervorgerufen wird, die Auswerteeinheit 14 aktiviert. Insbesondere wird dadurch das Ausführungsmodul 27 von einem Energiesparzustand in einen Betriebszustand versetzt, worauf dieses eine im Speichermodul 26 hinterlegte Ablaufanweisung ausführt und bevorzugt die Messung der physikalischen Eigenschaften des Polymerschaums durchführt, um so Position und Größe der einwirkenden Kraft zu ermitteln und am Signalaus-45 gang 28 zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen.5 shows the subject measuring device 1, comprising the planar sensor 13 and an evaluation device 14, wherein the evaluation device is connected to the first read-out device 9 via a connection means 15. This connection means may for example be embodied as an electrically conductive connection, but according to one of the claims it may also be designed as a wireless connection. A connector 10 mounted on the sensor allows an interconnection of a plurality of sensor elements 13 via a bus system 19 to a larger sensor network 18. An evaluation device 14 can also be connected by connection 20 of a bus system 21 to a further measuring device 1. The connector 25 is designed in this way in that a voltage pulse which is caused by an action of force on the planar sensor activates the evaluation unit 14. In particular, this puts the execution module 27 from an energy-saving state into an operating state, whereupon it executes a flow instruction stored in the memory module 26 and preferably performs the measurement of the physical properties of the polymer foam so as to determine the position and magnitude of the applied force and at the signal output 28 for further processing.
Fig. 6 zeigt die Elektrodenanordnungen mit den Zeilen- und Spaltenelektroden 23, 24. Das sich zwischen den Elektrodenanordnungen 5 befindliche Schaummaterial ist in dieser Figur, aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, durch einzelne Kapazitäten 30 dargestellt, die so jeweils am Schnittpunkt einer Zeilen- und Spaltenelektrode zwischen diesen beiden wirksam bzw. messbar sind. Jede einzelne Elektrode ist über eine Verbindungsleitung mit der Schaltmatrix 17 verbunden. Die Transistoren 34 der Schaltmatrix verbinden aufeinander folgend jeweils eine Zeilenelektrode 23 mit einem Frequenzgenerator 29, beispielsweise einem Oszillator. In der Darstellung ist die Zeilenelektrode Rj mit dem Frequenzgenerator verbunden, während alle 55 anderen Zeilenelektroden mit Massepotential verbunden sind. Für die eine ausgewählte Zeilen- 1 0 AT 504 406 B1 elektrode Rj werden in gleicher Weise, hintereinander alle Spaltenelektroden 24 mit einem Ausleseverstärker 31 verbunden. Auch hier sind die nicht ausgewählten Spaltenelektroden mit Massepotential verbunden. In der Figur ist die Spaltenelektrode Ck mit dem Ausleseverstärker verbunden, es wird daher der frequenzbeeinflussende Effekt der sich im Schnittpunkt der ausgewählten Zeilen- und Spaltenelektrode befindenden Kapazität CRiCk gemessen. Nach dem Ausleseverstärker folgt ein Filter 32, das den Frequenzanteil des Frequenzgenerators entfernt, da für die Messung der Änderung der Kapazität CRjck die Messfrequenz nicht mehr erforderlich ist. Der vom Spitzenwertdetektor 33 ermittelte Maximalwert der kraftproportionalen Spannungsänderung am Ausgang des Filters, wird von der Auswerteeinrichtung in ein weiter verarbeitbares Ausgangssignal umgesetzt.Fig. 6 shows the electrode arrangements with the row and column electrodes 23, 24. The foam material located between the electrode arrangements 5 is represented in this figure, by its physical properties, by individual capacitances 30, thus at the intersection of a row and column electrode between these two are effective or measurable. Each individual electrode is connected to the switching matrix 17 via a connecting line. The transistors 34 of the switching matrix successively connect a respective row electrode 23 to a frequency generator 29, for example an oscillator. In the illustration, the row electrode Rj is connected to the frequency generator, while all 55 other row electrodes are connected to ground potential. For the one selected row electrode Rj, all the column electrodes 24 are connected in succession with a readout amplifier 31 in the same way. Again, the unselected column electrodes are connected to ground potential. In the figure, the column electrode Ck is connected to the sense amplifier, therefore, the frequency-influencing effect of the capacitance CRiCk at the intersection of the selected row and column electrodes is measured. After the readout amplifier is followed by a filter 32, which removes the frequency component of the frequency generator, since the measuring frequency is no longer required for the measurement of the change in the capacity CRjck. The maximum value of the force-proportional voltage change at the output of the filter determined by the peak value detector 33 is converted by the evaluation device into a further processable output signal.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Messvorrichtung diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.For the sake of order, it should finally be pointed out that, for a better understanding of the construction of the measuring device, these or their components have been shown partly unevenly and / or enlarged and / or reduced in size.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.The problem underlying the independent inventive solutions can be taken from the description.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1; 2; 3; 4; 5; 6 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen.Above all, the individual in Figs. 1; 2; 3; 4; 5; 6 embodiments form the subject of independent solutions according to the invention. The relevant objects and solutions according to the invention can be found in the detailed descriptions of these figures.
Bezugszeichenaufstellung 1 Messvorrichtung 2 Polymerschaum 3 Erste Auflagefläche 4 Zweite Auflagefläche 5 Elektrodenanordnung 6 Elektrode 7 Verbindungsleitung 8 Dicke 9 Ausleseeinrichtung 10 Anschluss 11 Stirnseitenkante 12 Schutzschicht 13 Flächenhafter Sensor 14 Auswerteeinrichtung 15 Verbindungsmittel 16 Trägerlage 17 Schaltmatrix 18 Verbund von Sensoren 19 Bussystem 20 Anschluss 21 Bussystem 22 Verbund von Messvorrichtungen 23 Zeilenelektroden 24 Spaltenelektroden 25 AktivierungsanschlussReference symbol 1 Measuring device 2 Polymer foam 3 First contact surface 4 Second contact surface 5 Electrode arrangement 6 Electrode 7 Connecting line 8 Thickness 9 Readout device 10 Connection 11 Front edge 12 Protective layer 13 Areal sensor 14 Evaluation device 15 Connection means 16 Carrier layer 17 Switching matrix 18 Combination of sensors 19 Bus system 20 Connection 21 Bus system 22 Composite of measuring devices 23 row electrodes 24 column electrodes 25 activation terminal
Claims (22)
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