DE102005002057B4 - Sensor zur Messung der Verteilung einer Flächenpressung - Google Patents

Abstract

Sensor zur Messung der Verteilung einer Flächenpressung mit einer Vielzahl von Elementen, die aus jeweils einem Paar von elektrischen Leitern (2, 3) und jeweils einem flächigen und kompressiblen, durch die Preßkraft beeinflußbaren elektrisch nicht leitendem Medium (1) bestehen, wobei die Preßkraft die Dielektrizitätskonstante des nicht leitenden Mediums ändert und die Paare von elektrischen Leitern (2, 3) sowie das nicht leitende Medium Kondensatoren bilden, deren durch die Änderung der Dielektrizitätskonstante bedingte Kapazitätsänderung die Preßkraft anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von elektrischen Leitern (2, 3) flächig ausgebildet sind und auf der gleichen Seite des flächigen nicht leitenden Mediums (1) angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Verteilung einer Flächenpressung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Hierbei ist zum Beispiel das Vorhandensein und die Größe der Presskraft, ihr zeitlicher Verlauf, die Fläche der Einwirkung oder die Flächenverteilung der Kraft von Interesse.
• Anwendungsbeispiele sind Zugangssicherung, Wägung, die Ermittlung der Lage von Körpern bei der maschinellen Montage und insbesondere die Flächenverteilung von Kraft zwischen Maschinenteilen, zwischen Werkstück und Maschine, unter Reifen sowie in Schuhen.
• Für den Aufbau von Sensoren zur Messung von solchen Verteilungen von Flächenpressungen stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, z.B. auf Federn basierende, resistive, induktive oder piezoelektrische. Auch kapazitive Sensoren für die Flächenpressung sind allgemein bekannt. Hier wird ein kompressibles nicht leitendes Medium zwischen flächigen Leiterpaaren angeordnet, beim Einwirken einer Kraft nähern sich die flächigen Leiter einander an. Bei einer strukturierten Oberfläche des nicht leitenden Mediums oder bei Ausbildung des nicht leitenden Mediums als Schaum erhöht sich hierbei zusätzlich die mittlere Dielektrizitätskonstante des nicht leitenden Mediums. Beide Effekte führen zu einer Erhöhung der Kapazität, was zur Messung herangezogen wird. Dieses Prinzip ist z.B. in DE 25 29 475 C3 oder US 4,827,763 beschrieben und wird bei zahlreichen Industrieprodukten angewandt. Es hat den Vorteil des bekannten Aufbaus, der übersichtlichen Wirkungsweise und der einfachen mathematischen Behandlung.
• Eine ähnliche Lösung mit gleicher Zielstellung wird in DE 198 18 650 beschrieben. Vier Leiter sind in einem schlauchartigen Elastomerkörper eingebettet, der sich bei Krafteinwirkung verformt. Dadurch ändert sich die Kopplung zwischen zwei als Sender arbeitenden und zwei als Empfänger arbeitenden Leitern, was zu einer Änderung des empfangenen Signals führt.
• In US 6 532 824 wird analog zu der bekannten Dehnmessstreifen-Methode Biegung mithilfe der Dehnung einer Schicht gemessen, hier jedoch nicht mit einer resistiven sondern mit einer kapazitiven Methode. Die dehnempfindliche Schicht ist als Schicht eines Dielektrikums ausgebildet, das auf Dehnung durch Änderung der Dielektrizitätskonstante reagiert. Die Schicht ist mit Kondensatorplatten belegt, so dass die Biegung durch einen Kapazitätsänderung erfasst werden kann.
• In DE 2 318 581 wird eine weitere Größe kapazitiv detektiert, nämlich die Anwesenheit bzw. der Abstand eines Fingers oder eines Gegenstandes mit elektrisch ähnlichen Eigenschaften. Hier besteht ein starker Gegensatz zu den oben angesprochenen kapazitiven Sensoren für Flächenpressung. Bei diesen sind die beiden Kondensatorplatten so angeordnet, dass das elektrische Feld möglichst vollständig das druckempfindliche Dielektrikum durchdringt; ein Streuen in den Raum wird vermieden um Störeinflüsse der Umwelt zu vermeiden. Im Gegensatz hierzu sind in DE 2 318 581 die Kondensatorplatten so angeordnet, dass die Feldlinien in den Raum ausgreifen um dort dielektrische Veränderungen zu detektieren.
• Sensoren für Flächenpressung mit einem kompressiblen nicht leitendem Medium zwischen flächigen Leiterpaaren haben sich seit Jahrzehnten in vielen Anwendungen bewährt, bei manchen Anwendungen treten jedoch Probleme auf:
• 1. Bei der Messung der Verteilung von Flächenpressung (meist als „Druckverteilung" bezeichnet), sind viele Kondensatorplatten nebeneinander anzuordnen und mit der Messanordnung zu verkabeln oder gemäß DE 25 29 475 C3 teilweise untereinander zu verbinden, um einen ökonomisch abfragbaren Aufbau zu erzielen. Dadurch reagiert die Gesamtheit der Kondensatorplatten nicht mehr punktelastisch sondern flächenelastisch, d.h. bei Einwirkung von Kraft auf einen gewissen Messkondensator spricht das Signal auf die Nachbarn über.
• 2. Ist der Sensor biegbar ausgeführt, verändern sich bei Biegung der Außenradius und der Innenradius in unterschiedlichem Maße. Dies erfordert eine dehnbare Ausführung der äußeren und/oder eine stauchbare Ausführung der inneren Verkabelung oder der miteinander verbundenen Platten. Ist dies nicht hinreichend gegeben, falten die inneren Verkabelungen und Leiterplatten ein und verursachen gravierende Messfehler.
• 3. Ist der Sensor biegbar ausgeführt und sind Verkabelungen und Platten nicht extrem dehnbar und stauchbar, so wird das nicht leitende Medium allein durch die Biegung komprimiert, was zu einer Änderung der Ruhekapazität und – noch gravierender – zu einer Änderung der Empfindlichkeit führt.
• Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, einen Sensor für die Verteilung von Flächenpressung zu schaffen, der punktelastisch ist und der bei Biegung zu keiner fehlerhaften Messung führt.
• Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die Paare von elektrischen Leitern flächig ausgebildet sind und auf der gleichen Seite des flächigen nicht leitenden Mediums angeordnet sind.
• So wird ein Sensor geschaffen, der ein geringes Übersprechen aufweist und auch bei Biegung eine einwandfreie Messung ermöglicht.
• Der Sensor weist dabei üblicherweise mehr als zwei, jedoch insbesondere mehr als zehn Sensorelemente auf.
• Sind in dieser Anordnung die flächigen elektrischen Leiter gemäß Anspruch 2 parallel oder nahezu parallel und in einer Ebene oder nahezu in einer Ebene angeordnet, laufen die aus einem Leiter austretenden elektrischen Feldlinien gebogen auf den anderen Leiter zurück. Hierbei durchdringen sie das nicht leitende Medium und werden in diesem durch die zu messende Kraft beeinflusst. Ist der Abstand der Leiterpaare klein gegen die Dicke des nicht leitenden Mediums, ist für die Beeinflussung der Kapazität die Dickenänderung des nicht leitenden Mediums von geringer Bedeutung; wesentlich ist die Zunahme der Dielektrizitätskonstanten in der unmittelbaren Umgebung der Leiter sowie bei einer erhabenen Ausbildung der Leiter über ihrem Träger gemäß Anspruch 6 das Eindringen des nicht leitenden Mediums in den Raum zwischen den Leitern.
• Im Folgenden sind besonders vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben.
• Für einen deutlichen Messeffekt wird eine ausreichend große Kapazität des Messkondensators benötigt. Dies wird gemäß den Ansprüchen 3, 4 und 5 sichergestellt durch eine flächige Ausbildung der Leiter und durch ein zinkenartiges Auffächern der Leiter, wobei die Kapazität insbesondere durch eine kammartige Auffächerung unter Bildung von zinkenartigen Teilen und durch ein Ineinandergreifen der kammzinkenartigen Flächenteile vergrößert wird.
• Technisch wird die Herstellung von vielfachen Plattenpaaren mit vielfacher kammartiger Auffächerung wesentlich erleichtert, wenn die Leiter gemäß Anspruch 7 auf einer elektronischen Schaltplatine angeordnet werden, da so einfache und leistungsfähige Ätz- oder Print-Verfahren zur Herstellung eingesetzt werden können.
• Werden die Leiter gemäß Anspruch 8 auf der Seite der Platine angeordnet, die dem nicht leitenden Medium zugewandt ist, so ist der Messeffekt besonders groß, da der Bereich großer Felddichte im nicht leitenden Medium liegt.
• Ist diese Seite dagegen gemäß Anspruch 9 dem nicht leitenden Medium abgewandt, so ist der Messeffekt zwar kleiner, der durch das Trägermaterial der Platine realisierte zwischengeschaltete Bereich konstanter Dielektrizitätskonstante reduziert dagegen störende Einflüsse des Klebers sowie Nichtlinearitäten bei der Kompression des nicht leitenden Mediums. Die Leiter eines Leiterpaares können gemäß Anspruch 10 auch auf unterschiedlichen Seiten der Platine angeordnet werden. Dann sind die flächigen Leiter trotz der Parallelverschiebung nahezu in einer Ebene angeordnet und die gekrümmten Feldlinien durchdringen wiederum das benachbarte nicht leitende Medium. Vorteilhaft ist hierbei, dass so die bei der Anordnung auf der gleichen Seite der Platine notwendigen Durchkontaktierungen zur kreuzungsfreien Verdrahtung entfallen und dass die Leiterpaare enger zueinander angeordnet werden können.
• Ist die Platine gemäß Anspruch 11 biegbar, kann der Sensor auf einfache Weise gekrümmten und weichen Oberflächen angepasst werden, da das nicht leitende Medium leicht biegbar ausgestaltet werden kann und da eine die Biegung störende zweite Fläche mit elektrischen Leitern, die einer Verformung einen hohen Widerstand entgegen setzen, durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vermieden ist.
• Der Verbindungstechnik zwischen dem nicht leitenden Medium und den Leitern bzw. Platinen ist besonderes Augenmerk zu widmen, da die Verbindung im Bereich hoher Feldstärken liegt und so der Sensor empfindlich auf die Verbindung reagiert. Bewährt haben sich gemäß Anspruch 12 Verklebungen, und hier insbesondere gemäß Anspruch 13 das Aufsprühen von Haftkleber. Wird als nicht leitendes Medium Silikonkautschuk eingesetzt, der sich besonders schwer verkleben lässt, wird gemäß Anspruch 18 die Verklebung nahezu störungsfrei mit flüssigem Silikon-Kautschuk vorgenommen.
• Werden jeweils zwei Sensorelemente so miteinander verbunden, dass sich die Leiter jeweils paarweise flächig berühren, oder was elektrisch gleichbedeutend ist, werden die einander berührenden Leiter durch einen einzigen ersetzt, so entsteht gemäß Anspruch 14 eine Anordnung, bei der das nicht leitende Medium nicht nur auf einer (z.B. der oberen) Seite der Leiterpaare angeordnet ist, sondern auch auf der anderen (z.B. der unteren). So verdoppelt sich das Signal. Weiterhin wird so bei einer Biegung des Sensors gemäß Anspruch 11 die eine nicht leitende Schicht des Mediums gestaucht, die andere gedehnt, so dass sich Biegungseinflüsse teilweise kompensieren.
• Bei der Auswahl des kompressiblen nicht leitenden Mediums ist gemäß Anspruch 15 auf einen großen elastischen und einen geringen viskosen Anteil zu achten. Bewährt haben sich hierfür gemäß Anspruch 16 Polyurethan und gemäß Anspruch 17 Silikonkautschuk, insbesondere gemäß Anspruch 19 Qualitäten mit hoher Dichte. Bei diesen wird im Vergleich zu weniger dichten Qualitäten bei Kompression eine größere Materialmenge im Feld bewegt, was zu einem größeren Messeffekt führt.
• Anspruch 1 umfasst auch den Fall, dass das kompressible nicht leitende Medium gemäß Anspruch 20 als durch eine Hülle abgeschlossenes Luftvolumen ausgebildet ist. Auch in diesem Fall wird die Krafteinwirkung eines Körpers (z.B. sein Eindrücken der Hülle) durch die nicht beidseitig, sondern auf der gleichen Seite des Luftvolumens angeordneten elektrischen Leiter durch Kapazitätsmessung nachgewiesen.
• Machen Anwendungen eine Abschirmschicht auf dem nicht leitenden Medium erforderlich, ist auf ausreichende Elastizität in Bezug auf Stauchung, Dehnung und Biegung zu achten, um die oben beschriebenen Vorteile der Anordnung beider Kondensatorplatten auf der gleichen Seite des nicht leitenden Mediums nicht zu gefährden. Vorteilhaft neben Standardverfahren wie dem Einsatz von Leitsilber ist es hier, die Abschirmung gemäß Anspruch 23 aus leitfähigem Silikonkautschuk auszubilden.
• Ausführungsformen von Sensorelementen der Erfindung für Flächenpressung, kurz auch Elemente genannt, sowie von Sensoren für die Verteilung der Flächenpressung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben.
• 1 zeigt den Aufbau eines Elements des Sensors. Auf einem Träger 5 sind zwei Leiter 2 und 3 angeordnet, die als Kondensatorplatten arbeiten und die an ein Kapazitäts-Messgerät 6 angeschlossen sind. Die Platten sind mit einem nicht leitenden Medium 1 abgedeckt, das als Dielektrikum des Kondensators fungiert. Beide Leiter sind auf der gleichen Seite des nicht leitenden Mediums angeordnet. Die Feldlinien 4 durchdringen das nicht leitende Medium und werden von einer auf das nicht leitende Medium einwirkenden Kraft beeinflusst, so dass sich die Kapazität ändert.
• 2 zeigt eine Erweiterung. Zwei Elemente sind so auf einem Träger 5 aneinandergefügt, dass sich die Leiter flächig berühren und, was elektrisch gleichbedeutend ist, miteinander verschmelzen. Dann ist das so entstandene Kondensatorplattenpaar 2, 3 beidseitig von den nicht leitenden Medien 1, 1a umgeben; beide Platten sind jeweils auf der gleichen Seite des nicht leitenden Mediums angeordnet. Die Feldlinien 4, 4a haben einen ähnlichen Verlauf wie in 1; eine durch Krafteinwirkung hervorgerufene Änderung beider nicht leitender Medien hat auf die Kapazität einen ähnlichen Einfluss, so dass sich die durch das Messgerät 6 gemessene Kapazitätsänderung in etwa verdoppelt.
• 3 zeigt einen Sensor für die Verteilung von Flächenpressung mit vielfachen Plattenpaaren 2, 3, der gebogen wurde. Da die Oberseite des Sensors nicht durch wenig dehnbare Leiter abgedeckt ist, kann sich das elastische nicht leitende Medium 1 leicht den Erfordernissen der Biegung anpassen: Die neutrale Faser verläuft im Träger 5, das nicht leitende Medium wird, gedehnt.
• 4 zeigt den Aufbau der Platten für einen Kondensator eines Sensorelements auf der Oberseite einer nicht biegbaren, ca. 1 mm starken Platine. Die linke Platte 1 und die rechte Platte 2 sind jeweils durch kammartige Leiterbahnen realisiert, die ineinander greifen und so eine, auf die Fläche bezogen, relativ große Kapazität bilden. Die linke Platte weist beidseitig (in der Zeichnung nach oben und unten zeigende) Bahnen auf, welche die Platte mit dem ersten Anschluss eines Kapazitäts-Messgeräts oder mit Nachbarplatten verbinden. Die rechte Platte ist mit einer als Kreis gezeichneten Durchkontaktierung 3 verbunden, welche die rechte Platte durch das Substrat hindurch mit einer auf der Platinenunterseite verlaufenden Bahn 4 verbindet, welche die Verbindung mit dem zweiten Anschluss des Kapazitäts-Messgeräts oder mit Nachbarplatten herstellt.
• 5 zeigt die Anordnung der Platten für Kondensatoren von Sensorelementen auf einer biegbaren, ca. 0,1 mm starken Platine. Platte 2 ist auf der Oberseite und Platte 3 auf der Unterseite der Platine 5 aufgebaut. Die Feldlinien 4 und damit die Kapazität werden wiederum durch eine Änderung des nicht leitenden Mediums beeinflusst.
• 6 zeigt eine Anordnung eines Sensorelements, in der das nicht leitende Medium als ein mit einer Hülle 1 umgebener Luftraum ausgebildet ist. Ein Körper 7 übt auf die Hülle eine Kraft aus und dringt so in den Luftraum ein und beeinflusst das elektrische Feld 4.

Claims (22)

1. Sensor zur Messung der Verteilung einer Flächenpressung mit einer Vielzahl von Elementen, die aus jeweils einem Paar von elektrischen Leitern (2, 3) und jeweils einem flächigen und kompressiblen, durch die Preßkraft beeinflußbaren elektrisch nicht leitendem Medium (1) bestehen, wobei die Preßkraft die Dielektrizitätskonstante des nicht leitenden Mediums ändert und die Paare von elektrischen Leitern (2, 3) sowie das nicht leitende Medium Kondensatoren bilden, deren durch die Änderung der Dielektrizitätskonstante bedingte Kapazitätsänderung die Preßkraft anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von elektrischen Leitern (2, 3) flächig ausgebildet sind und auf der gleichen Seite des flächigen nicht leitenden Mediums (1) angeordnet sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Leiter (2, 3) parallel oder nahezu parallel und in einer Ebene oder nahezu in einer Ebene angeordnet sind.
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, mindestens einer der Leiter (2 oder 3) aufgefächert ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des oder der aufgefächerten Leiter (2, 3) unter Bildung von zinkenartigen Teilen kammartig aufgefächert ist.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zinkenartigen Teile der kammartig aufgefächerten Flächen ineinander greifen.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (2, 3) auf einem Träger (5) angeordnet sind und dass die Leiter (2, 3) gegenüber dem Träger (5) erhaben sind.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (2, 3) auf einer elektronischen Schaltplatine (5) angeordnet sind.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (2, 3) auf der dem nicht leitenden Medium (1) zugewandten Seite der Platine (5) angeordnet sind.
9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (2, 3) auf der dem nicht leitenden Medium (1) abgewandten Seite der Platine (5) angeordnet sind.
10. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterpaare (2, 3) auf unterschiedlichen Seiten der Schaltplatine (5) angeordnet sind.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltplatine (5) biegbar ausgebildet ist.
12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die nicht leitenden Medien (1) mit einem Kleber mit den Leitern (2, 3) verbunden sind.
13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber als aufgesprühter Haftkleber ausgebildet ist.
14. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Sensorelemente so miteinander verbunden sind dass sich die Leiter (2, 3) jeweils paarweise flächig berühren.
15. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht leitende Medium (1) elastisch ausgebildet ist.
16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht leitende Medium (1) ein Polyurethan ist.
17. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht leitende Medium (1) ein Silikonkautschuk ist.
18. Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber flüssiger Silikon-Kautschuk ist.
19. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht leitende Medium (1) eine hohe Dichte auf weist, bei der im Vergleich zu geringer Dichte bei Kompression eine größere Materialmenge im Feld zur Erreichung eines größeren Meßeffekts bewegt wird.
20. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht leitende Medium (1) ein oder mehrere durch eine Hülle abgeschlossene Luftvolumina sind.
21. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der den elektrischen Leitern (2, 3) abgewandten Seite des nicht leitenden Mediums (1) eine Abschirmschicht angeordnet ist.
22. Sensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmschicht aus leitfähigem Silikonkautschuk besteht.