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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Berührungssensor,
mit dem eine Kraftwirkung und deren örtliche Verteilung gemessen
werden können.
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Die Messung einer Anpresskraft, die
von einem Körper
auf einen zweiten ausgeübt
wird, und deren örtliche
Verteilung über
die Körper
ist in vielen technischen Anwendungsbereichen, insbesondere in der
Robotik, erforderlich. Die Messergebnisse sind dabei in ein elektrisches
Signal umzusetzen. Bisher werden dazu Dehnungsmessstreifen, Druckdosen oder ähnliches
verwendet. Darüber
hinaus existieren elektromagnetische, akustische, piezoelektrische, optische
und hydrodynamische Verfahren zur Druckmessung oder messtechnischen
Aufnahme von Kräften.
Bei den gängigen
Verfahren erfolgt in der Regel eine durch die Kraft bewirkte Veränderung
in einem Sensorelement.
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In der
DE 40 27 753 C2 ist ein kapazitiver Kraftsensor
beschrieben, bei dem Kapazitätselektroden
einander gegenüber
an einem Grundkörper
und einem Deckkörper
angeordnet und voneinander durch einen das Dielektrikum bildenden
Hohlraum getrennt sind, wobei die Stärke des Materials des Grundkörpers und
des Deckkörpers
so gewählt
ist, dass durch die Kompression des Grundkörpers und/oder des Deckkörpers bei
Krafteinwirkung der Abstand zwischen den Kapazitätselektroden vermindert und
gleichzeitig ein Durchbiegen der zwischen den Abstandshaltern vorhandenen
Materialbrücken vermieden
wird.
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In der
DE 24 48 398 B2 und der
DE 37 34 023 C2 sind Matten
beschrieben, die einen Auflagedruck kapazitiv messen und bei denen
zwischen Leiterflächen
ein kompressibles Dielektrikum angeordnet ist. Eine ähnliche
Ausgestaltung eines Kondensators zur Druckmessung ist in der
DE 19 16 496 A beschrieben.
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In der
DE 28 21 247 A1 ist eine Abtastvorrichtung
für Fußsohlen
beschrieben, bei der in einer Auflagefläche eine Mehrzahl vertikal
zu dieser Auflagefläche
beweglicher, federnd gelagerter Stößel in einem Raster angeordnet
ist, wobei diese Stößel jeweils
an einem unteren Ende eine für
eine kapazitive Positionsmessung vorgesehene, in eine Leiterhülse eintauchende
Elektrode aufweisen.
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Zur Aufnahme von Fingerabdrücken sind
kapazitiv messende Sensorelemente geeignet, die in einem Raster
angeordnet sind. Das ist z. B. in der Veröffentlichung von M. Tartagni
und R. Guerrieri: "A 390dpi
Live Fingerprint Imager Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme" in 1997 IEEE International
Solid-State Circuits Conference, S. 200-201 (1997) beschrieben.
Ein einzelnes Sensorelement besteht im Wesentlichen aus einer kleinen
Leiterplatte, die als Platte eines Kondensators gegenüber der zu
messenden Hautoberfläche
wirkt.
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Statt einer Fingerspitze können andere
Bilder kapazitiv erfasst werden. Dazu ist nur erforderlich, dass
die Oberflächenstruktur
des Bildes örtlich so
variiert, dass sich von Bildpunkt zu Bildpunkt unterschiedliche
Kapazitäten
zu elektrisch leitenden Flächen
ergeben, die dem Bild gegenüber
angeordnet werden. Die verschiedenen Kapazitäten können durch Anlegen geeigneter
elektrischer Spannungen und anschließende Bestimmung der auf den
Leitern angesammelten Ladungen bestimmt werden. Es existieren verschiedene
Vorschläge
für derartige
kapazitiv messende Sensoren, in denen bereits die elektronischen
Bauelemente einer Ansteuerschaltung oder Auswerteschaltung integriert
sind. Ein solcher kapazitiv messender Sensor besitzt in der Regel eine
Auflagefläche,
in der ein Raster von Leiterflächen
angeordnet ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, einen neuen Sensor zur Messung von Kräften anzugeben, der in speziellen
Ausführungsformen
auch eine ortsaufgelöste
Kraftmessung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit dem Sensor
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Sensor besitzt eine Oberfläche mit
einer Mehrzahl vorzugsweise in einem Raster angeordneter Sensorelemente,
deren jedes eine für
eine kapazitive Messung vorgesehene Leiterfläche aufweist, wie sie im Prinzip
auch für
einen Fingerabdrucksensor verwendet werden. Auf dieser Oberfläche liegt
mindestens ein elastisch verformbarer Körper, im Folgenden als elastisches
Element bezeichnet, so mit einer geeignet geformten Oberfläche auf,
dass eine äußere mechanische
Kraft auf das Element übertragen
werden kann, durch die eine elastische Verformung des Elementes
bewirkt wird. Diese Verformung bewirkt, dass eine elektrische Kapazität, die von
zumindest einem der Sensorelemente gegenüber dem Element detektiert
wird, verändert
wird. Unter dem Begriff einer elastischen Verformung soll im Zusammenhang
mit dem elastischen Element auch eine Komprimierung verstanden werden,
die eine Erhöhung
der Dichte des Materials des Elementes hervorruft, aber die Form
der der Sensorfläche
zugewandten Oberfläche
des Elementes nicht oder nicht wesentlich verändert.
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Eine detektierbare Veränderung
der Kapazität
gegenüber
dem elastischen Element kann bereits durch eine Veränderung
der relativen Dielektrizitätszahl
des Materials des elastischen Elementes bewirkt werden. Vorzugsweise
ist die Oberfläche
des elastischen Elementes auf der der Sensorfläche zugewandten Seite so gekrümmt, dass
die elastische Verformung des Elementes bei Einwirken einer äußeren Kraft
den Abstand der Oberfläche
des Elementes von zumindest einem, vorzugsweise von mehreren, der
Sensorelemente verändert.
Die Stärke
der elastischen Verformung des Elements wird festgestellt, indem
die auftretenden Veränderungen
der Kapazitäten
der Sensorelemente gegenüber
dem elastischen Element festgestellt werden. Diese Veränderungen
der Kapazitäten
werden bei Verformungen, die mit bevorzugten Ausgestaltungen des
elastischen Elementes in der Regel erzielbar sind, örtlich unterschiedlich
stark sein.
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Eine Anordnung mehrerer elastischer
Elemente, auf die dieselbe äußere Kraft
einwirkt und die gegebenenfalls unterschiedliche Formen aufweisen, kann
dafür vorgesehen
sein, eine genauere Messung der Kraft zu ermöglichen, indem mehrere Elemente und
eine Mehrzahl von Sensorelementen in die Messung einbezogen werden.
Eine systematische Anordnung mehrerer elastischer Elemente, zum
Beispiel in einem Raster, auf der Oberfläche des Sensors erlaubt es,
eine flächige
Verteilung einer äußeren Kraftwirkung,
die örtlich
unterschiedlich stark auftritt, also ein mechanisches Kraftfeld
in einer Fläche, zu
bestimmen. Dadurch wird eine ortsaufgelöste Kraftmessung ermöglicht.
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Es folgt eine genauere Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
des erfindungsgemäßen Sensors
und dessen Funktionsweise anhand der beigefügten Figuren.
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Die 1 bis 3 zeigen erfindungsgemäße Anordnungen
im Schema im Querschnitt zur Erläuterung
der Funktionsweise des Sensors.
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Die 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
des Sensors im Querschnitt.
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Die 5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
im Querschnitt.
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In der 1 ist
ein Beispiel der für
den erfindungsgemäßen Sensor
wesentlichen Anordnung in einem Schema im Querschnitt dargestellt.
Auf einem Bauelement, das von der Struktur her einer Sensorschicht 1 eines
Fingerabdrucksensors mit darin ausgebildeten Leiterflächen 2 als
Sensorelementen zur kapazitiven Messung einzelner Bildpunkte entspricht, liegt
ein elastisch verformbarer Körper,
im Folgenden als elastisches Element 3 bezeichnet, auf.
Dieses elastische Element weist zu der Oberfläche der Sensorschicht hin eine
gekrümmte
Oberfläche
auf. In dem in der 1 dargestellten
Beispiel ist das elastische Element eine elastische Kugel. In den
nachfolgenden Erläuterungen
wird daher das elastische Element einfach als Kugel bezeichnet,
obwohl auch andere Körperformen
besonders geeignet sein können.
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Wirkt eine Kraft auf die Kugel, dann
wird die Kugel entsprechend der Darstellung von 2 zusammengedrückt, so dass sie sich typisch
in etwa linsenförmig
verformt. Die Richtung der Kraftwirkung ist in der 2 durch den Pfeil angedeutet. Durch die Verformung
des elastischen Elementes 3 vergrößert sich bei bevorzugten Ausführungsformen
wie zum Beispiel der Kugel dessen Auflagefläche, so dass sich in einem
mit zunehmender Kraft größer werdenden
Bereich der Oberfläche
der Sensorschicht 1 Kapazitätsänderungen der Leiterflächen 2 der
einzelnen Sensorelemente gegenüber
der gegenüberliegenden
Oberfläche
des elastischen Elementes ergeben. Ähnlich, wie sich bei einem
Fingerabdrucksensor beim Auflegen eines Fingers auf den Sensor entsprechend
der Struktur der Hautoberfläche
unterscheidbare Sensorsignale, in einer Bildwiedergabe durch Grauabstufungen
zum Beispiel Schwärzungen im
Bereich der Fingerlinien, ergeben, wird bei den bevorzugten Ausgestaltungen
der erfindungsgemäßen Anordnung
bei Einwirken der Kraft auf das elastische Element ein größerer Bereich
der Sensorfläche
ein Signal hervorrufen, das auf eine gegenüber dem Normalzustand des elastischen
Elementes erhöhte
Kapazität
an den betreffenden Stellen hinweist.
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In jedem Fall ergibt sich bei einer
Verformung des elastischen Elementes in einem davon betroffenen
Bereich eine Veränderung
der Sensorsignale der Sensorfläche.
Die Verteilung der Kapazitätsänderungen
der einzelnen Sensorelemente gegenüber dem elastischen Element
gibt über
die Verformung des elastischen Elementes und damit über die
einwirkende Kraft Auskunft. Daher lässt sich über die örtlich unterschiedliche Kapazitätsänderung
bei einem Auftreten einer Kraft auf die Stärke der Kraft rückschließen.
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Das Auflösungsvermögen des Sensors hängt in erster
Linie von der Dichte der Leiterflächen 2 in der Oberfläche, auf
der das elastische Element 3 angeordnet ist, ab; wichtig
sind aber auch die Eigenschaften des elastischen Elementes (Größe, Form, Elastizität, Wert
der Dielektrizitätszahl
als Funktion der Kompression, Oberflächenbeschaffenheit, elektrische
Leitfähigkeit)
und die Genauigkeit einer an den Sensor angeschlossenen Auswerteschaltung.
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Um eine örtliche Auflösung der
Kraftmessung zu erreichen, können
mehrere elastische Elemente auf der mit den Sensorelementen versehenen Oberfläche der
Sensorschicht vorgesehen sein. In der 3 ist
im Schema im Querschnitt ein Beispiel für eine Anordnung dargestellt,
mit der eine ortsauflösende
Messung einer einwirkenden äußeren Kraft möglich ist.
Es ist hier eine Mehrzahl elastischer Elemente 31, 32, 33, 34 auf
der Oberfläche
der mit den Sensorelementen versehenen Sensorschicht 1 angeordnet,
wobei diese elastischen Elemente vorzugsweise in einem Raster oder
einer andersartig systematisierten Ausrichtung zueinander angeordnet sind.
In der 3 sind örtlich unterschiedlich
stark wirkende Kräfte
dadurch angedeutet, dass die elastischen Elemente unterschiedlich
verformt sind. Auf die äußeren elastischen
Elemente 31,
34 wirkt hier momentan eine stärkere Kraft
als auf die beiden anderen dargestellten elastischen Elemente 32, 33. Das
elastische Element 33 ist am wenigsten verformt, so dass
auf eine an dieser Stelle schwächere einwirkende
Kraft rückgeschlossen
werden kann.
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Das örtliche Auflösungsvermögen des
Sensors hängt
in erster Linie von der Dichte der Leiterflächen 2 in der Oberfläche, auf
der die elastischen Elemente angeordnet sind, und der Dichte der
Anordnung der elastischen Elemente sowie von deren Eigenschaften
ab, von denen bereits oben die wichtigsten aufgezählt wurden.
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Die geringere oder stärkere Verformung
der elastischen Elemente wird dadurch festgestellt, dass der Bereich
der jeweiligen Kapazitätsänderungen und
die Größe der Kapazitätsänderungen
der Leiterflächen 2 gegenüber den
elastischen Elementen ortsabhängig
gemessen wird. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der
Möglichkeit,
auf diese Weise ortsaufgelöst
Kräfte
zu messen, also in einer Fläche
ein Kraftfeld zu bestimmen. Die für die Ansteuerung und Auswertung
erforderlichen elektronischen Schaltungen können auf einfache Weise in
dem erfindungsgemäßen Sensor
integriert sein. Das Ergebnis der Messung liegt dann unmittelbar
als elektrisches Signal vor, das gegebenenfalls bereits innerhalb
des Sensors ausgewertet werden kann.
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In der 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer bevorzugten Realisierung des Sensors dargestellt. Hierbei
ist zur ortsauflösenden
Kraftmessung und/oder zur Erhöhung
der Empfindlichkeit des Sensors eine Mehrzahl elastischer Elemente
in einem Raster über
eine Oberfläche
der Sensorschicht 1 verteilt angeordnet. Diese elastischen
Elemente 5 sind an Enden von Kolben oder Stößeln 6 angebracht,
die in Durchführungen
eines Gehäuses 4 geführt sind. Auf
die Kolben kann so ein äußeres mechanisches Kraftfeld
einwirken, das die elastischen Elemente 5 auf die mit den
Sensorelementen versehene Oberflä che
der Sensorschicht 1 anpresst. Die elastischen Elemente
sind im einfachsten Fall elastische Halbkugeln, die an den Kolben
oder Stößeln befestigt
sind.
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In der 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, das einfacher zu realisieren ist als das Ausführungsbeispiel
der 4. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 5 sind die elastischen Elemente 5 vorzugsweise
etwa halbkugelförmig
und auf einer Seite einer Folie 7 angeordnet. Diese Folie 7 ist so
gegenüber
der mit den Sensorelementen versehenen Oberfläche der Sensorschicht angeordnet, dass
die elastischen Elemente 5 bei Auftreten eines von der
gegenüberliegenden
Seite, d. h. in der 5 von
oben, auf die Folie wirkenden mechanischen Kraftfeldes auf die mit
den Sensorelementen versehene Oberseite gedrückt und so verformt werden, dass
die beschriebenen Kapazitätsänderungen
gegenüber
den in der Sensorschicht 1 angeordneten Leiterflächen auftreten.