AT504959B1 - Messvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen passiven Kraftsensor (40) umfassend eine flächenhafte Trägerlage (2) aus einem elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum und eine Elektrodenanordnung (41), wobei die Elektrodenanordnung (41) auf einer Flachseite (3) der Trägerlage (2) angeordnet ist. Der Polymerschaum ist dabei durch ein zelluläres Polymer aus der Gruppe der geschlossenen Zellularschäume gebildet und die Elektrodenanordnung (41) ist als elektrischer Schwingkreis (16), insbesondere als R-L-C-Schwingkreis, zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie und einem erfassten, kraftproportionalen Messwert ausgebildet.

Description

österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15

Beschreibung [0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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 lässt. 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.

[0005] Insbesondere sind aus dem Stand der Technik matrixartige Elektrodenanordnungen 1 /20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 bekannt, bei denen die Elektroden streifenförmig ausgebildet und in den beiden parallelen Lagen der 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] Aus der US 2003/0146675 A1 ist ein piezoelektrischer Messumformer bekannt. Der Messumformer ist dabei aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen (aktiven) dielektrischen (inaktiven Schichten gebildet, wobei der piezoelektrischen Effekt gezielt dadurch beeinflusst werden kann, indem auf der Oberfläche des Messumwandlers strukturierte Leiterbahnen aufgebracht sind, die bevorzugt fotolithografisch hergestellt werden. Durch Optimierung der Anordnung der piezoelektrischen Messumwandler lässt sich bspw. eine Vorrichtung ausbilden, die zur aktiven Schwingungskontrolle geeignet ist. Verteilt angeordnete piezoelektrischen Umformer lassen sich weiters dazu einsetzen, durch Einprägen eines zeitveränderlichen Polarisationsprofils, eine Struktur gezielt zu bewegen bzw. zu drücken. Gemäß einer offenbarten Ausbildung ist eine 2/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15

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 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 Schrift 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. Für die einzelnen Schichten können Polymerfolien verwendet werden, wobei diese ggf. doppelseitig metallisiert sein können. Die mittlere aktive Schicht kann durch eine piezoelektrische PVDF Folie gebildet sein.

[0009] Ferner ist aus der US 2007/0186677 A1 ein kontaktlos arbeitender Kraftsensor bekannt, bei dem eine Krafteinwirkung auf den Sensor eine Änderung der Resonanzeigenschaften eines Schwingkreises hervorruft. Der Sensor ist dabei durch ein flexibles Substrat gebildet, wobei auf eine darauf aufgebrachte nicht leitende Schicht, ein piezoresistives Material, bspw. ein n-dotiertes halbleitendes Material aufgebracht wird. Das Aufbringen erfolgt dabei durch ein, aus der Halbleiterherstellung bekanntes Aufdampfverfahren mit photolithographischen Strukturierungsschritten. Eine Deformation des Sensors führt zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der Elektrodenanordnung.

[0010] Aus dem Dokument DE 198 33 928 A1 ist ferner eine geometrische Sensoreinrichtung mit in einem Flexileiterband integrierten elektronischen Bauelementen bekannt. Es ist bekannt, einen Sensorchip über ein Flexileiterband mit entfernt angeordneten Leiterplatten elektrisch zu verbinden, wobei auf dieser 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 ferner 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. 3/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 [0011] Die Schrift 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.

[0012] Ferner offenbart das Dokument DE 101 07 832 A1 offenbart einen Druckmessaufnehmer, welcher eine Vielzahl einzelner, auf dem ohmschen Prinzip basierende Kraftsensoren aufweist, die auf einer flexiblen Leiterplatine verteilt angeordnet sind. Durch eine Vielzahl von Kraftsensoren, die gleichmäßig auf einer Fläche einer flexiblen Leiterplatte verteilt angeordnet sind, kann die tatsächliche Druckverteilung durch die Vielzahl von diskreten Messwerten sehr gut angenähert werden. Die einzelnen Kraftsensoren bestehen bevorzugt aus einer ersten flexiblen Trägerfolie mit einer Schicht aus einem Polymer mit vorgegebenem ohmschen Widerstand, aus einer zweiten flexiblen Trägerfolie mit zwei aufgedruckten Elektroden und aus einer, die Trägerfolien in einem vorgegebenen Abstand miteinander verbindenden Zwischenschicht. Dieser Sensor ändert seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der auf die Folien eingeleiteten Kraft, wobei die Elektroden die Polymerschicht derart kontaktieren, sodass zwischen den Elektroden Widerstandsbrücken aufgebaut werden. Je höher die eingeleitete Kraft, umso mehr Widerstandsbrücken werden geschlossen und parallel geschaltet, wodurch der elektrische Gesamtwiderstand sinkt.

[0013] Die DE 197 50 671 A1 offenbart einen Sensor zur Messung von mechanischen Kräften, aufgebaut basisierend auf leitfähigen bzw. leitfähig gemachten Schaumstoffen. Der Sensor besteht dabei aus einer Grundfläche mit zwei Elektroden, wobei auf die Grundfläche ein antistatischer Schaumstoff aufgebracht wird, dessen elektrischer Widerstand sich unter Krafteinwirkung ändert. Als Ausgangsmaterial zur Herstellung der beschriebenen Sensoren wird ein handelsüblicher antistatischer Schaumstoff verwendet, wie dieser beispielsweise bei der Verpackung elektronischer Bauteile Anwendung findet. Durch eine entsprechende Dicke des Schaummaterials kann dieser Schaum auch eine Schutzfunktion übernehmen, beispielsweise als Knautschzone für mobile Service-Fahrzeuge. Ferner ist eine Ausführung als ortsauflösender Stoßstangensensor für mobile Serviceroboter offenbart, wobei ein eindimensionales Sensor-Array um ein Fahrzeug angebracht wird. Stößt nun der Roboter an ein Hindernis, kann die Position des Hindernisses berechnet werden. Je nach Schubkraft des Roboters sollte die Dicke des Sensormaterials so gewählt werden, dass dieses eine ausreichende Knautschzone darstellt.

[0014] Das Dokument DE 101 56 652 A1 offenbart einen Sensor zur orts- und/oder zeitauflö-senden Kraft- oder Druckmessung, wobei der Sensor Widerstandselemente aufweist, welche ein matrixartiges Raster mit Zeilen und Spalten voneinander beabstandeter Kontaktbereiche der Widerstandselemente ausbilden. Eine hohe Messgenauigkeit des offenbarten Sensors wird dadurch erreicht, dass zumindest eines der Widerstandselemente zumindest an einem der Kontaktbereiche durch ein, mit diesem Widerstandselement in elektrischem Kontakt befindliches, elektrisch leitendes Element spannungsbeaufschlagbar ist. Dadurch wird die Ableitung der Widerstandsänderung nicht über die Widerstandselemente selbst, sondern über das niederohmige elektrisch leitende Element erfolgen. Bevorzugt ist das elektrisch leitende Element streifenförmig ausgebildet und entlang einer Zeile oder Spalte der Kontaktbereiche angeordnet, wodurch jeder Kontaktbereich einer Zeile bzw. Spalte durch ein elektrisch leitendes Element spannungsbeaufschlagt wird. Ferner ist offenbart, dass das elektrisch leitende Element als elektrisch leitende Faser in das Widerstandselement eingebettet ist und sich bevorzugt über die gesamte 4/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 Länge mindestens eines der Widerstandselemente erstreckt. Das Messprinzip des Sensors beruht nun darauf, dass in den Kontaktbereichen die Widerstandselemente und das zwischen diesen angeordnete schlecht leitfähige Material im Wesentlichen nur lose miteinander in Kontakt sind. Bei einer Druck- oder Kontaktbeaufschlagung an dem betreffenden Kontaktbereich werden das Widerstandselement der Zeile, das Element aus schlecht leitfähigem Material und das Widerstandselement der Spalte zusammengepresst. Dies bewirkt eine Abnahme des elektrischen Widerstandes zwischen dem Widerstandselement der Zeile und dem Widerstandselement der Spalte an deren Kontaktbereich. Über eine Messung des Widerstands kann somit die Größe der Druck- oder Kraftbeaufschlagung des Kontaktbereichs bestimmt werden. Die Metallstreifen zur Bildung der Kontaktbereiche sind dabei nicht vollflächig an den streifenförmigen Widerstandselementen fixiert, sondern liegen an diesen lose an und sind nur punktuell an diesen fixiert, um eine Beschädigung der Metallstreifen zu vermeiden, wenn die Widerstandselemente in Folge Druckbeaufschlagung gedehnt werden.

[0015] Das Dokument DE 103 33 993 A1 offenbart einen Sensor für ein Fahrzeug, wobei der Sensor einen piezoelektrischen Polymerschaum aufweist und beispielsweise als Unfallsensor oder Sitzbelegungssensor eingesetzt werden kann. Polymerschäume erzeugen bei Druck ein elektrisches Signal, sie sind also piezoelektrisch, das entstehende Signal wird mittels Kontaktelektroden abgeleitet. Aufgrund der elastisch dämpfenden Eigenschaften des Polymerschaums kann dieser beispielsweise im Frontbereich eines Fahrzeugs eine weiche Struktur ausbilden, was dem Fußgängerschutz zu Gute kommt. Für den Seitenschutz können Teile der Türen ausgeschäumt werden, wobei die Polymerschäume dann auch noch Isolationsfunktionen erfüllen können. Beim Einsatz im Frontbereich kann der Schaumsensor auch als Aktuator dienen, indem er Ultraschall abstrahlt, um so beispielsweise eine Wildschadensverhütung möglich zu machen. Ferner kann der Polymerschaum auch als Sitzbelegungssensor verwendet werden, da das Ausgangssignal aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften des Schaums, proportional zur Druckbelastung auf das Sitzkissen ist. Somit kann direkt auf das Gewicht des Objekts auf dem Sitzkissen eine Aussage getroffen werden.

[0016] Die bekannten Vorrichtungen haben insbesondere den Nachteil, dass die Herstellung aufwändig ist, weil bspw. Aufdampf- und Photolithografische Prozesse erforderlich sind, oder die eingesetzten Materialien nur eine geringe Sensitivität aufweisen, was eine aufwändige nachgelagerte Aufbereitung erforderlich macht.

[0017] 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. Insbesondere liegt die Aufgabe der Erfindung auch darin, eine einfach und kostengünstig herzustellende Messvorrichtung dahingehend auszubilden, dass eine große Empfindlichkeit erzielt wird. Die Aufgabe der Erfindung liegt ferner auch darin, einen elastisch rückstellbar deformierbaren Kraftsensor zu schaffen, der einen nicht leitungsgebundenen Betrieb und eine ebensolche Messwerterfassung ermöglicht.

[0018] Gemäß einer Ausbildung betrifft die Erfindung einen passiven Kraftsensor der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Polymerschaum durch ein zelluläres Polymer gebildet ist, bevorzugt aus der Gruppe der geschlossenen Zellularschäume. Der bedeutende Vorteil bei Verwendung eines zellulären Polymers liegt darin, dass die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen passiven Kraftsensors gegenüber bekannten Sensoren deutlich gesteigert werden kann. Durch Auswahl eines entsprechenden zellulären Polymers kann aufgrund der fertigungstechnisch festlegbaren Materialeigenschaften und damit verbundener unterschiedlicher Kompressibilität, der Kraft-Messbereich gezielt festgelegt werden. Bei bekannten Messvorrichtungen ruft eine einwirkende Kraft eine mechanische Deformation der Trägerlage hervor, wobei zur Erreichung eines spezifischen Messausschlags zumeist eine wesentliche Deformation der Trägerlage erforderlich ist. Eine anspruchsgemäß aus einem zellulären Polymer gebildete Trägerlage hat nun den besonderen Vorteil, dass das Polymer, also die Trägerlage selbst, aufgrund seiner speziellen elektrischen Eigenschaften einen wesentlichen wertbestimmenden Teil des Kraftsensors darstellt. Daher vereinfacht sich der Aufbau des Sensors deutlich, da im Gegensatz zu den 5/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 bekannten Vorrichtungen, keine zusätzlichen Trägermaterialien bzw. Separationsschichten erforderlich sind. Die Ausbildung der Trägerlage durch ein zelluläres Polymer hat den weiteren Vorteil, dass sich der erfindungsgemäße Kraftsensor besonders einfach und kostengünstig hersteilen lässt.

[0019] Beispielsweise gehören die Materialien Polyethylen (PE), Polyolefin, Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethanschaumstoff oder Ethylen-Propylen-Dien Kautschuk zur Gruppe der zellulären Polymere. Die Stauchhärte des Schaumstoffs bei 50% Stauchung liegt im Bereich zwischen 5kPa und 145kPa, was im Vergleich zu mit bisher bekannten Materialien eine wesentliche Aufweitung des Messbereichs bedeutet. Die Dicke der Trägerlage liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0.1 und 8 mm.

[0020] Weiters ist der anspruchsgemäße passive Kraftsensor dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung zur drahtlosen Energie- und Messwertübertragung ausgebildet ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kraftsensor derart angeordnet ist, dass eine Versorgung des Sensors mit Energie bzw. eine Übertragung der erfassten Kraftwerte mittels einer Kabelverbindung nicht möglich ist. Da für die Messung einer Krafteinwirkung zumeist auch eine elektrische Energie erforderlich ist, ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn die elektrische Energie drahtlos an den passiven Kraftsensor übertragen werden kann. Durch diese Ausbildung kann der Kraftsensor besonders kompakt aufgebaut werden und im Wesentlichen unbegrenzt im Einsatz bleiben, da am Kraftsensor keine elektrische Energieversorgungseinrichtung wie bspw. eine Batterie oder ähnliches erforderlich ist. Für einen kompakten Aufbau des Kraftsensors ist es weiters von Vorteil, wenn der Kraftsensor eine einwirkende Kraft bzw. eine Kraftverteilung in einem kraftproportionalen Messwert umwandelt und dieser drahtlos von einer Auswertevorrichtung ausgelesen bzw. erfasst werden kann.

[0021] Ein elektrischer Schwingkreis ist insbesondere durch seine so genannte Resonanzfrequenz charakterisiert. Wie dem Fachmann bekannt ist, hat ein elektrischer Schwingkreis bei elektrischer Anregung mit seiner Resonanzfrequenz ganz besonders vorteilhafte Eigenschaften, bspw. ist der Energiebedarf zum Anregen einer resonanten Schwingung ganz besonders gering. Erfindungsgemäß ist die Elektrodenanordnung zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie und einem kraftproportionalen Messwert ausgebildet. Da die Elektrodenanordnung auch einen wesentlichen Teil der Einrichtung zur Krafterfassung darstellt, hat die anspruchsgemäße Ausbildung den ganz besonderen Vorteil, dass zur Versorgung des Kraftsensors mit elektrischer Energie, zur Durchführung der Kraftmessung und zur Übertragung des ermittelten Kraftwerts keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind und sich somit der Kraftsensor besonders kompakt ausbilden lässt. Durch eine Krafteinwirkung auf den Sensor kommt es zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, was von einer Auswertevorrichtung festgestellt werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung als R-L-C Schwingkreis, bei dem der Widerstand R durch den Bahnwiderstand der leitenden Schicht der strukturiert aufgebrachten Elektrodenanordnung gebildet ist. Die Induktivität L ist durch eine spulenförmig aufgebrachte Struktur gebildet, wie sie bspw. von RFID-Antennen bekannt ist, wobei der Bahnwiderstand der Spule bevorzugt im Bereich von 10 bis 30Ω liegen sollte. Die Kapazität C ist weiters durch ineinander verschränkt ausgebildete Strukturen gebildet, insbesondere so genannte Fingerelektroden. Ohne zusätzliche Komponenten wie bspw. elektronische Bauteile lässt sich somit durch die strukturiert aufgebrachte Elektrodenanordnung ein elektrischer Schwingkreis aufbauen.

[0022] Da die Elektrodenanordnung auf einer Flachseite der Trägerlage angeordnet ist, lässt sich der erfindungsgemäße Kraftsensor besonders kostengünstig und rationell in einem Arbeitsschritt hersteilen. Insbesondere ist somit bspw. ein Durchlaufverfahren möglich, bei dem das zelluläre Polymer als folienartiger Polymerschaum an einer Druckvorrichtung vorbei befördert wird, wobei kontinuierlich die Elektrodenanordnung aufgedruckt wird. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Elektrodenanordnung besonders gut auf der Flachseite der Trägerlage haftet und es somit durch die, beim bestimmungsgemäßen Einsatz auftretenden Verformungen, zu keiner unerwünschten Ablösung der Elektrodenanordnung von der Trägerlage kommen kann.

[0023] Durch strukturiertes Aufbringen einer elektrisch leitenden Schicht lässt sich die Elektro- 6/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 denanordnung derart vorteilhaft ausbilden, dass einerseits eine optimal an die baulichen Gegebenheiten angepasste, gute Erfassung der einwirkenden Kraft bzw. des kraftproportionalen Messwerts möglich ist und andererseits, mir derselben Einrichtung eine zuverlässige drahtlose Übertragung der elektrischen Energie bzw. des erfassten kraftproportionalen Messwerts möglich ist. Bspw. ist durch eine entsprechend strukturierte Elektrodenanordnung auch möglich, am Kraftsensor mehrere Abschnitte auszubilden, in denen eine einwirkende Kraft erfassbar ist. Ebenso lässt sich durch die spezifische Struktur der Elektrodenanordnung, die Reichweite der drahtlosen Übertragung festlegen.

[0024] Die elektrisch leitende Schicht kann bspw. durch einen Lack gebildet sein, der durch ein Druckverfahren wie Offset-, Tief- oder Flexodruck aufgebracht wird, bevorzugt jedoch mittels Siebdruck. Insbesondere sind dem Fachmann jedoch weitere Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Elektrodenanordnung bekannt, insbesondere aus dem Bereich der Herstellung von RFID-Strukturen.

[0025] Die leitfähige Schicht ist bevorzugt ca. 25 μιτι dick und durch eine Silberleitpaste gebildet, die eine Viskosität im Bereich von 10Pa.s bis 50Pa.s und einen Feststoffgehalt zwischen 70 und 86% aufweist. Durch Verdampfen des Lösungsmittels trocknen die aufgebrachten Strukturen und bilden die leitfähige Schicht, wobei die Temperatur während der Trocknung bevorzugt unter 60°C liegt. Insbesondere können jedoch auch Gold-, Aluminiumoder Kupferpasten gedruckt werden, wobei jedoch Aluminium- und Kupferpasten durch eine aufzubringende Passivierungslage gegen Korrosion geschützt werden müssen.

[0026] Wird ein offenzeiliger Polymerschaum als Trägerlage verwendet, ist vor dem Aufbringen der Elektrodenanordnung eine Decklage aufzubringen.

[0027] Gemäß einer weiteren Ausbildung kann die Elektrodenanordnung aber auch auf eine Separationsschicht aufgebracht werden, wobei die Separationsschicht bspw. durch Polyethylen-terephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN) gebildet wird. Die Separationsschicht mit der aufgebrachten Elektrodenanordnung wird bspw. durch Aufkleben mit dem zellulären Polymer verbunden, wobei jedoch auch eine trennbare Verbindung der Separationsschicht von dem Polymerschaum denkbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass sich die Elektrodenanordnung und das Polymerschaummaterial getrennt voneinander hersteilen lassen und erst bei der konkreten Anwendung miteinander verbunden werden und dann den erfindungsgemäßen Kraftsensors bilden.

[0028] Den ganz besonderen Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftsensors erhält man, wenn eine Kapazität des Schwingkreises durch einen Abschnitt der Elektrodenanordnung gebildet ist. Als Kapazität wird hier die Summenkapazität verstanden, die durch die Elektrodenanordnung, die den wesentlichen Beitrag liefert und durch ggf. vorhandene parasitäre Kapazitäten gebildet ist. Die Kapazität des Schwingkreises ist bevorzugt durch ineinander verschränkte Fingerelektroden gebildet, die auf einer Flachseite der Trägerlage angeordnet sind, wobei sich das elektrische Feld zwischen den einzelnen Elektroden überwiegend im zellulären Polymer bildet. Da sich die elektrischen Eigenschaften des zellulären Polymers gezielt einstellen lassen, lassen sich somit auch bedeutend größere Kapazitätswerte realisieren, als dies bei gleichartig ausgebildeten Kapazitäten möglich ist, bei denen sich das elektrische Feld in der Luft oder in einer Separationsschicht zwischen den Elektroden ausbildet.

[0029] Da sich der Abschnitt der Elektrodenanordnung, der die Kapazität des Schwingkreises ausbildet, auf der Trägerlage oder ggf. auf einer Separationsschicht angeordnet ist, jedoch mit der Trägerlage bewegungsverbunden ist, wird eine Krafteinwirkung auf die Trägerlage diese verformen und sich somit eine deutliche Änderung des Kapazitätswerts der anspruchsgemäßen Kapazität einstellen. Da die Kapazität eine frequenzbestimmende Komponente des Schwingkreises ist, wird sich daher auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entsprechend ändern. Im Gegensatz zu Kondensatoranordnungen bei denen sich das elektrische Feld in der Luft ausbildet, wird sich bei anspruchsgemäßer Ausbildung eine deutlich stärkere Änderung der Kapazität ergeben, wobei sich insbesondere der Proportionalitätsfaktor der Änderung durch die charakteristischen Materialeigenschaften des Polymerschaums einstellen lässt, so dass sich für 7/20 österreichisches patentaint AT 504 959 B1 2010-09-15 einen großen Kraftmessumfang, eine hohe Sensitivität ausbilden lässt.

[0030] Weist die Elektrodenanordnung ein elektromagnetisches Koppelglied auf, ist eine drahtlose Übertragung von elektrischer Energie an den erfindungsgemäßen Kraftsensor, insbesondere jedoch an den Schwingkreis möglich. Bevorzugt ist das elektromagnetische Koppelglied induktiv ausgebildet und dient somit auch als wesentliche Induktivität des Schwingkreises. Somit ist anspruchsgemäße eine direkte Versorgung des Schwingkreises mit elektrischer Energie und eine gleichzeitige Erfassung der sich, aufgrund einer Krafteinwirkung auf den Sensor ändernden Resonanzfrequenz möglich.

[0031] Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftsensors liegt darin, dass zur Versorgung des Kraftsensors mit elektrischer Energie, zur Erfassung eines kraftproportionalen Messwerts und zur Übertragung dieses Messwerts an eine Auswertevorrichtung, lediglich der Polymerschaum und die strukturiert aufgebrachte Elektrodenanordnung erforderlich ist, was einen ganz besonderen Kostenvorteil und einen besonders einfachen Aufbau des Kraftsensors mit sich bringt.

[0032] Eine weitere mögliche Ausbildung der Erfindung löst die Aufgabe jeweils eigenständig dadurch, dass [0033] · die elektronischen Bauelemente unmittelbar auf der verformbaren, flexiblen und elas tisch rückstellbaren Trägerlage angebracht sind [0034] · der Auswerteeinrichtung zur Aktivierung durch einen Spannungsimpuls ausgebildet ist [0035] · die elektronischen Bauteile unmittelbar auf der Trägerlage aufgebracht werden [0036] · eine Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Messen einer Kraft, die auf einem vordefinierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt, verwendet wird [0037] · die Auswerteeinrichtung durch eine Krafteinwirkung auf einen Abschnitt des flächenhaf ten Sensors aktiviert wird.

[0038] 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.

[0039] 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, das 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.

[0040] Weist die Auswerteeinheit anspruchsgemäß einen Anschluss zur Aktivierung auf, bewirkt ein Spannungsimpuls an diesem Anschluss, dass Messvorrichtung aus einem Ruhezustand in 8/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 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.

[0041] 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.

[0042] 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.

[0043] 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 und Realisierung auch komplexer Ausleseeinrichtungen möglich.

[0044] Eine weitere anspruchsgemäße Ausbildung weist zumindest eine, bevorzugt jedoch beide Elektrodenanordnungen 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.

[0045] 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.

[0046] Wird der Polymerschaums 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. 9/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 [0047] 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 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.

[0048] 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.

[0049] 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.

[0050] Durch die Ausbildung der Ausleseeinrichtung mit einem Anschluss für ein Bussystem, lassen sich mehrere flächenhafte Sensoren zu einem Verbund zusammenschalten.

[0051] Die Bildung eines Verbunds von Messvorrichtungen ermöglicht die anspruchgemäße Ausbildung der Auswerteeinrichtung mit einem Anschluss für ein Bussystem.

[0052] 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.

[0053] 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 Kraftweinwirkung 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.

[0054] 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.

[0055] 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.

[0056] In vorteilhafter Weise lässt sich das Verfahren zum Messen einer Kraft auch in einer 10/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15

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 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.

[0057] 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.

[0058] Die Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0059] Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung: [0060] Fig. 1 einen, zur Darstellung der Elektrodenanordnungen entlang einer Seitenkante aufgeklappten flächenhaften Sensor, ohne Darstellung des Schaummaterials; [0061] Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des flächenhaften Sensors; [0062] Fig. 3 eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung des flächenhaften Sensors; [0063] Fig. 4 eine nicht maßstabs- und formgetreue Schnittdarstellung gemäß Figur 2, jedoch mit aufgebrachter Schutzschicht; [0064] Fig. 5 die Messvorrichtung, eine Zusammenschaltung mehrerer Sensoren und eine Zusammenschaltung; [0065] Fig. 6 ein Prinzipschaltbild der Ausleseeinrichtung; [0066] Fig. 7 a) eine Ausbildung eines passiven drahtlosen Kraftsensors b) und c) elektrische Ersatzschaltungen des passiven drahtlosen Kraftsensors.

[0067] 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.

[0068] Fig. 1 zeigt den flächenhaften Sensor 13, der zur anschaulichen Darstellung entlang einer 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 11 /20 österreichisches patentaint AT 504 959 B1 2010-09-15 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.

[0069] 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 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 auszuwählen. 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.

[0070] 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 möglich. Beispielsweise kann jede Streifenelektrode in einzelne Elektroden aufgeteilt sein, aber auch andere geometrische Formen der Elektroden sind möglich, beispielsweise als kreisrunde Ausbildung.

[0071] Fig. 4 zeigt einen flächenhaften Sensor 13 aufgeschnitten gemäß Schnitt IV aus Figur 2. Die 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 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.

[0072] Fig. 5 zeigt die gegenständliche Messvorrichtung 1, umfassend den flächenhaften Sensor 13 und eine Auswerteeinrichtung 14, wobei die Auswerteeinrichtung über ein 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 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 Krafteinwirkung 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 Signalausgang 28 zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen.

[0073] 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 12/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 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 anderen Zeilenelektroden mit Massepotential verbunden sind. Für die eine ausgewählte Zeilenelektrode 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 CRjck 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.

[0074] Fig. 7a zeigt den erfindungsgemäßen passiven Kraftsensor 40. Auf einer ersten Auflagefläche 3 des zellulären Polymers 2 ist die Elektrodenanordnung 41 aufgebracht, die durch eine elektrisch leitende Schicht gebildet ist. Deutlich erkennbar sind die zwei wesentlichen Strukturen der Elektrodenanordnung. Im inneren Abschnitt ist die Elektrodenanordnung als ineinander verschränkte Fingerelektroden ausgebildet, im äußeren Bereich ist die Elektrodenanordnung spulenförmig ausgebildet.

[0075] Fig. 7b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des Kraftsensors 40 aus Fig. 7a. Das induktive elektromagnetische Koppelglied 42 ist durch die spulenförmige Strukturierung der Elektrodenanordnung 41 gebildet. Die Kapazität 43 ist durch die ineinander verschränkt strukturierten Fingerelektroden gebildet, insbesondere handelt es sich dabei um eine so genannte interdigitale Kapazität. Der Serienwiderstand 44 ist durch den elektrischen Bahnwiderstand der strukturierten Elektrodenanordnung gebildet, wobei jedoch der Anteil des Koppelglieds deutlich überwiegt. Aus den Abmessungen der Strukturen der Elektrodenanordnung sowie aus den elektrischen Eigenschaften der leitenden Schicht kann der Fachmann in bekannter Weise, die Impedanzen der Bauteile der Ersatzschaltung berechnen.

[0076] Im Ersatzschaltbild ist die Kapazität 43 als veränderliche Kapazität dargestellt. Eine Krafteinwirkung auf den Sensor 40 in jenem Abschnitt, in dem die Elektrodenanordnung 41 einen Kondensator ausbildet, führt zu einer Deformation der Trägerlage 2 im betreffenden Abschnitt, wodurch sich auch die elektrischen Eigenschaften des zellulären Polymers und damit auch der Wert der Kapazität 43 ändert. Durch die Materialeigenschaften des Polymerschaums kann nun die Sensitivität ganz gezielt eingestellt werden, so dass bspw. selbst geringe Deformationen zu einer großen Änderung des Kapazitätswerts führen.

[0077] Fig. 7c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Kapazität 43, die durch eine Serienschaltung einer Mehrzahl einzelner Kapazitäten gebildet ist. Aufgrund der Struktur der Elektrodenanordnung 41, hat jede zweite Fingerelektrode der Elektrodenanordnung 41 aus Fig. 7c das gleiche Potenzial, bspw. V+. Die dazwischen liegenden Fingerelektroden haben ebenfalls gleiches Potenzial, allerdings einen anderen Wert bspw. V-. Aufgrund der speziellen elektrischen Eigenschaften des zellulären Polymers 2 bildet sich im Inneren des Polymers 2, zwischen den jeweils auf unterschiedlichem Potenzial befindlichen Fingerelektroden, ein elektrisches Feld aus, dass durch eine Ersatzkapazität (C1 - CN) dargestellt wird. Die Serienschaltung dieser Ersatzkapazitäten ist dann in der Summenkapazität 43 zusammengefasst.

[0078] Durch eine Krafteinwirkung 45 kommt es zu einer lokalen Deformation des zellulären Polymers 2, wodurch sich auch die Ersatzkapazität des betroffenen Abschnitts ändern wird, was insbesondere auch eine Änderung der Summenkapazität 43 zur Folge hat. Da die Kapazität 43 ein frequenzbestimmendes Bauteils des Schwingkreises 46 ist, wird sich diese Kapazitätsänderung auch in einer Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises auswirken. Ferner ist 13/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 das induktiv wirkende elektromagnetische Koppelglied 42 einmal ein festwertiges frequenzbestimmendes Bauteils des Schwingkreises 46 und ist andererseits aufgrund seiner Strukturierung als Empfangsmittel für elektromagnetische Strahlung ausgebildet. Eine nicht dargestellte Auswertevorrichtung sendet eine elektromagnetische Welle 47 aus, wobei die Frequenz der ausgesandten Welle bevorzugt der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 46 entspricht. Die Welle wird vom Koppelglied 42 empfangen und speist somit elektrische Energie in den Schwingkreis 46 ein und regt diesen zum Schwingen an. Entspricht die Frequenz der elektromagnetischen Welle 47 annähernd der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 46, ist die Energieübertragung maximal bzw. wird von der Auswertevorrichtung eine minimale Impedanz der elektrischen Ersatzschaltung des Kraftsensors erkannt. Durch eine Krafteinwirkung auf den Sensor ändert sich der Wert der Kapazität 43 und somit auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 46. Die Auswertevorrichtung kann durch Variation der Frequenz der elektromagnetischen Welle die geänderte Resonanzfrequenz ermitteln und somit auf die aufgetretene Krafteinwirkung rückschließen.

[0079] Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausbildung liegt darin, dass die Krafteinwirkung eine Änderung einer Kapazität bewirkt, wobei durch die Eigenschaften des zellulären Polymers und durch die Strukturierung der Elektrodenanordnung einmal ein sehr großer Messbereich abgedeckt wird und andererseits eine große Änderung des Kapazitätswerts erzielbar ist.

[0080] Die Struktur der Elektrodenanordnung ist jedoch nicht auf die hier dargestellte Ausbildung beschränkt, insbesondere sind all jene Strukturen möglich, die sich im Wesentlichen durch ein Ersatzschaltbild nach Fig. 7b darstellen lassen. Insbesondere ist es auch möglich, zusätzlich die Impedanz des Serienwiderstands 44 und/oder des Koppelglieds 42 deformationsabhängig veränderlich auszuführen, um so eine andere Ansprechcharakteristik oder eine größere Empfindlichkeit des Kraftsensors zu erzielen. Insbesondere ist es auch möglich, die Elektrodenanordnung derart zu strukturieren, dass sich mehrere Schwingkreise ausbilden lassen, die jeweils eine unterschiedliche Resonanzfrequenz aufweisen. Somit lassen sich mit einem Kraftsensor bspw. mehrere Kraftangriffspunkte eindeutig unterscheidbar überwachen, insbesondere ist es bspw. möglich, großflächig eine Summenkrafteinwirkung zu erfassen und gleichzeitig lokale Kraftspitzen zu erfassen.

[0081] Der Ordnung halber sei abschließend daraufhingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Messvorrichtung diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

[0082] Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.

[0083] Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen. 14/20 österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15

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 Aktivierungsanschluss 26 Speichermodul 27 Ausführungsmodul 28 Signalausgang 29 Frequenzgenerator 30 Kapazität 37 38 39 40 passiver Kraftsensor 41 Elektrodenanordnung 42 elektromagnetisches Koppelglied 43 Kapazität 44 Widerstand 45 Krafteinwirkung 46 Schwingkreis 47 elektromagnetische Welle 31 Ausleseverstärker 32 Filter 33 Spitzenwertdetektor 34 Transistor 35 36 15/20

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT 504 959 B1 2010-09-15 Patentansprüche 1. Passiver Kraftsensor (40) umfassend eine flächenhafte Trägerlage (2) aus einem elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum und eine Elektrodenanordnung (41), wobei die Elektrodenanordnung (41) auf einer Flachseite (3) der Trägerlage (2) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerschaum durch ein zelluläres Polymer aus der Gruppe der geschlossenen Zellularschäume gebildet ist und dass die Elektrodenanordnung (41) als elektrischer Schwingkreis (16), insbesondere als R-L-C-Schwingkreis, zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie und einem erfassten, kraftproportionalen Messwert ausgebildet ist.
2. 2. Passiver Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) durch eine strukturiert aufgebrachte elektrisch leitende Schicht gebildet ist.
3. 3. Passiver Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) auf eine Separationsschicht aufgebracht ist.
4. 4. Passiver Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität (43) des Schwingkreises (46) durch einen Abschnitt der Elektrodenanordnung (41) gebildet ist.
5. 5. Passiver Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) ein elektromagnetisches Koppelglied (42) aufweist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 16/20