DE102005013508B4

DE102005013508B4 - Sensor, insbesondere zum Messen einer auf den Sensor ausgeübten Kraft, und Verfahren zum Auswerten des Sensors

Info

Publication number: DE102005013508B4
Application number: DE102005013508.0A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Reihl Heiner
Original assignee: Oce Printing Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: DE102005013508A1

Abstract

Sensor, insbesondere zum Messen einer auf den Sensor (10) ausgeübten Kraft, der eine erste und eine zweite Vielzahl von Messzellen (Mi,j) aufweist, die matrixförmig in Spalten (Sj) bzw. Zeilen (Zi) angeordnet sind, wobei alle Messzellen (Mi,j) in einer Zeile (Zi) jeweils einen gleich großen Abstand zu den jeweils benachbarten Messzellen (Mi+1,j) der benachbarten Zeile (Zi+1) aufweisen und die Gesamtheit aller Messzellen (Mi,j) von zumindest zwei benachbarten Spalten (Sj) zu einer Gruppe (Gx) zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, – dass innerhalb derselben Gruppe (Gx) jeweils zu den Messzellen, (Mi,j) einer Spalte (Sj) mindestens eine oder höchsten zwei andere Spalten (Sj±m) existieren, deren entsprechende Messzellen (Mi,j±y) auf die Zeilen (Zi) bezogen einen Versatz (V) von V = B/n zueinander aufweisen, mit B = Mittelpunktsabstand benachbarter Messzellen (Mi,j) in einer Spalte (Sj) und n = ganzzahlige Anzahl der Messzellen (Mi,j) pro Gruppe (Gx) und Zeile (Zi), wobei keine zwei Messzellen (Mi,j) innerhalb derselben Zeile (Zi) und derselben Gruppe (Gx) auf derselben Höhe angeordnet sind, – dass innerhalb derselben Gruppe (Gx) alle Messzellen (Mi,j) bezüglich ihrer Höhe gleichmäßig verteilt sind sowie keine Messzelle (Mi,j) einer Zeile (Zi) bezüglich ihrer Höhe im Bereich einer Nachbarzeile (Zi±1) angeordnet ist, und – dass immer genau eine Messzelle (Mi,j) innerhalb einer Zeile (Zi) derselben Gruppe (Gx) den Versatz (V) von V = B/n zu einer anderen Messzelle (Mi±1,j) der benachbarten Zeile (Zi±1) derselben Gruppe (Gx) aufweist, um in Spaltenrichtung durch eine durchgehende Messzellendichte eine einheitliche Auflösung zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere zum Messen einer auf den Sensor ausgeübten Kraft, und ein Verfahren zum Auswerten des Sensors.
Ein bekannter Sensor ( US 6,225,814 B1 ) besteht aus zwei dünnen, flexiblen Polyesterfolien, auf denen jeweils eine Vielzahl von parallelen Leiterbahnen angeordnet sind. Die beiden Folien sind dabei so aufeinandergelegt, dass sich die Leiterbahnen überkreuzen, und somit eine Matrix bestehend aus Zeilen und Spalten entsteht. Zwischen den Leiterbahnen ist eine Widerstandsschicht angeordnet, deren Widerstand von der auf den Sensor ausgeübten Kraft abhängt. Somit wird ein Sensor erzeugt, mit dem eine auf den Sensor ausgeübte Kraft stellenweise ermittelt werden kann. Die Messauflösung eines solchen Sensors hängt dabei von der Dichte der durch die Kreuzungspunkt gebildeten Sensorzellen ab, wobei die maximale Auflösung durch die minimale Zellengröße definiert wird, die entweder technisch möglich oder aufgrund der Empfindlichkeit physikalisch notwendig ist. Je dichter die Sensorzellen angeordnet sind, umso mehr externe Anschlüsse pro Flächeneinheit des Sensors werden dafür benötigt.
Um die Auflösung des Sensors in einer Dimension des zweidimensionalen Sensors über die maximale Auflösung im obigen Sinne hinaus zu erhöhen, sind die Sensorzellen benachbarter Spalten gegeneinander versetzt, wobei der Versatz vordefiniert und kleiner als der minimale Abstand ist; die Leiterbahnen in einer Zeile verlaufen jeweils zickzackförmig und parallel zueinander. Mehrere Spalten sind dabei jeweils einer Gruppe zugeordnet, wobei innerhalb einer Gruppe die Summe aus den jeweiligen Versätzen gerade den minimalen Abstand der Sensorzellen ergibt; insbesondere liegen dann jeweils zwei Messzellen benachbarter Zeilen innerhalb einer Gruppe auf gleicher Höhe (d. h. sind nicht versetzt zueinander, sondern die Zeilen überlappen sich). Dadurch sind bezüglich der ”vertikalen” Auflösung ”redundante” Messzellen vorhanden, die zur Erhöhung der Auflösung nichts beitragen.
Mit einem solchen Sensor wird der Nip-Bereich z. B. von zwei Anpresswalzen in einem Drucker ermittelt.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Sensor, insbesondere zum Messen einer auf den Sensor ausgeübten Kraft zu schaffen, der bei einer vorgegebenen Anzahl von äußeren Anschlüssen eine höhere Auflösung in einer Dimension des zweidimensionalen Sensors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.
Dabei weist der Sensor eine Vielzahl von Messzellen auf, die matrixförmig in Spalten und Zeilen angeordnet sind. Die Messzellen in einer Zeile sind jeweils äquidistant zu den Messzellen der benachbarten Zeile angeordnet. Mehrere Messzellen in zumindest zwei benachbarten Spalten werden zu einer Gruppe zusammengefasst. Innerhalb einer solchen Gruppe sind alle Messzellen einer Zeile gleichmäßig über die Zeile bezüglich ihrer Höhe verteilt angeordnet, indem die Messzellen spaltenweise um einen vorbestimmten Versatz zueinander versetzt sind, so dass keine zwei Messzellen innerhalb der Gruppe auf gleicher Höhe liegen. Der jeweilige Versatz zu der jeweiligen Messzelle in derselben Zeile, aber einer anderen Spalte derselben Gruppe beträgt gleich der Zeilenbreite dividiert durch die Anzahl der Messzellen pro Zeile und Gruppe. Die Messzellen in einer Zeile überlappen sich bezüglich ihrer Höhenposition nicht mit den Messzellen der benachbarten Zeile. Die sich am nächsten bezüglich ihrer Höhe annähernden Messzellen von zwei benachbarten Zeilen innerhalb einer Gruppe weisen ebenfalls den gleich großen Versatz auf. Hierbei ist die Zeilenbreite der Mittelpunktsabstand von zwei in einer Spalte benachbarten Messzellen. Somit liegt dann keine Messzelle auf derselben Höhe wie eine andere Messzelle innerhalb derselben Gruppe, so dass die Messzellen dicht und gleichmäßig über die gesamte Fläche einer Gruppe verteilt angeordnet sind.
Dies hat den Vorteil, dass innerhalb einer Gruppe pro Flächeneinheit eine größere Auflösung in einer Richtung erreicht wird, als bei einem Sensor mit minimalen Zellenabstand in dieser Dimension ohne Spaltenversatz. Gegenüber dem Stand der Technik werden innerhalb einer Gruppe und Zeile bei gleicher Auflösung weniger Messzellen benötigt und damit externe Anschlüsse eingespart. Umgekehrt wird bei gleicher Anzahl von externen Anschlüssen die Auflösung gegenüber dem Stand der Technik erhöht. Das Sensordesign lässt dann mehr Freiheitsgrade zu, da nur der Versatz der Messzellen zur optimalen Auflösung wichtig ist, nicht jedoch ein spezielles Zeilenmuster der Messzellen. Die Messzellen in einer Gruppe müssen deshalb weder spiegelsymmetrisch zu den Messzellen einer benachbarten Gruppe angeordnet sein, noch sich direkt an diese anschließen, wie dies im Stand der Technik gefordert wird. Es sind lediglich zu jeder geometrischen Höhe des Gesamtsensors korrespondierende Sensorzellen in allen Gruppen vorzusehen. Innerhalb einer jeden Gruppe wird daher in einer Dimension eine hohe Auflösung erzielt, die gegebenenfalls zu einer Verschlechterung der Auflösung in der anderen Dimension des zweidimensionalen Sensors führt.
Ein solcher Sensor kann z. B. zur Justage von Umdruck- oder Anpresswalzen eines Druckers oder Kopierers verwendet werden. Bei einem Drucker oder Kopierer wird ein Aufzeichnungsträger einseitig oder beidseitig mit einem Druckbild versehen. Der Aufzeichnungsträger wird durch ein oder zwei Paare von Walzen hindurchgeführt, bei denen sich im Berührungsbereich jeweils ein Nip (Walzenberührungsbereich) bildet. Die Walzen müssen im Wesentlichen parallel zu einander angeordnet sein und gleichmäßig auf den Aufzeichnungsträger pressen. Nur so ist ein stabiler Druckbetrieb bewerkstelligt. Durch Vermessen des Nip (d. h. des Belastungsbereichs) können dann die Walzen in ihrer Ausrichtung und Gleichmäßigkeit des Andrucks entsprechend eingestellt werden.
Mit diesem erfindungsgemäßen Sensor wird eine höhere Auflösung in einer Dimension des zweidimensionalen Sensors ermöglicht, als der technisch mögliche oder physikalisch sinnvolle, minimale Sensorzellenabstand normalerweise vorgibt. Da insbesondere bei vorgegebener Anzahl der Anschlüsse die Erhöhung der Auflösung in einer Dimension durch Zusammenfassung der Auswertung mehrerer Spalten zwangsläufig mit einer adäquaten Reduktion der Auflösung für die jeweils andere Dimension einhergeht, besteht das Problem einer effektiven Anordnung der Sensorzellen, das durch die Erfindung gelöst wird.
Des Weiteren liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine auf den Sensor ausgeübte Kraft bezüglich ihrer flächenhaften Ausdehnung möglichst schnell zu erfassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche wiedergegeben. So kann der Versatz in Richtung vorhergehender oder nachfolgender Zeilen von benachbarten Spalten innerhalb derselben Gruppe der gleiche Versatz wie zuvor sein, während ein Spaltenversatz zu einer Spalte einer benachbarten Gruppe besteht, der entsprechend größer ist.
Der Versatz kann sowohl in die eine als auch in die andere Richtung vorhanden sein. Es ist auch möglich, dass die Messzellen ausgehend von der ersten Messzelle in einer Zeile und Gruppe zuerst in die eine Richtung und dann in die andere Richtung besteht, wobei die Messzellen gleichmäßig über die gesamte Zeilenbreite verteilt angeordnet sind. Zwischen zwei benachbarten Spalten können auch Versatzsprünge von ganzzahligen Vielfachen des Versatzes vorgenommen werden, solange alle Messzellen insgesamt einer Zeile und Gruppe bezüglich ihrer Höhe gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Innerhalb einer Gruppe können die Messzellen jeweils einer Spalte in eine Richtung versetzt sein und innerhalb einer anderen Gruppe können die Messzellen jeweils einer Spalte in die entgegengesetzte Richtung versetzt sein.
Die Messzellen einer Gruppe müssen nicht symmetrisch zueinander angeordnet sein. Die Messzellen können auch auf einer stufigen, zickzackförmigen oder abschnittsweise gerade und geneigten virtuellen Linie entlang der Zeilen angeordnet sein, wobei der Versatz zueinander eingestellt wird, um die für die Messaufgabe optimale Auflösung zu erreichen.
Die Messzellen werden vorteilhaft jeweils durch zwei sich kreuzende Elektroden gebildet, zwischen denen eine elektrischer/physikalischer Parameter gemessen wird. Hierbei korrespondiert der Leiterbahnenverlauf der Elektroden nicht notwendigerweise mit den Zeilen und Spalten der Sensorzellenmatrix, solange eine umkehrbar eindeutige Zuordnung zwischen den Anschlüssen und den Zellen definiert ist.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Sensor aus dem Stand der Technik ohne Versatz,
2 einen erfindungsgemäßen Sensor mit spaltenweise versetzten Messzellen,
3 bis 6 weitere Ausführungsbeispiele eines Sensors,
7 ein Anschlussschema eines Sensors, und
8 einen Ausschnitt aus einem Drucker oder Kopierer mit zwei Anpresswalzen, zwischen denen ein Sensor zum Feststellen einer Belastungszone angeordnet ist.
In den Figuren tragen konstruktiv und funktionell gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Sensor 10 (vgl. 1) anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, bei denen eine erste Vielzahl von Elektroden (Zeilenelektroden 11) und eine zweite Vielzahl von Elektroden (Spaltenelektroden 12) kreuzweise übereinander angeordnet sind. Dadurch entsteht eine matrixförmige Struktur, wobei in den Kreuzungspunkten Messzellen M_i,j gebildet sind. Durch diese Messzellen M_i,j wird das elektrische Verhalten zwischen der oberen und unteren Elektrode 11, 12 ausgewertet. Das elektrische Verhalten ist bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen von dem physikalischen Parameter Kraft abhängig. Diese Kraft wirkt auf die jeweilige Messzelle M_i,j ein. Statt der entsprechenden Elektroden können selbstverständlich auch andere geeignete Mittel verwendet werden, um über eine Sensorfläche verteilte Messzellen M_i,j zu bilden, mit deren Hilfe die auf den Sensor 10 ausgeübte Kraft bereichsweise (im Bereich einer Messzelle M_i,j) gemessen werden kann.
Die Sensoren 10 können auch so ausgestaltet sein, dass sie statt der Kraft andere physikalische Parameter messen. Die Erfindung hat das Ziel, die Auflösung des Sensors 10 pro Flächeneinheit für die Dimension x (vgl. 1) über das durch den minimalen Abstand der Zellen gegebene Maß hinaus zu erhöhen, wobei insbesondere im Falle einer vorgegebenen Anzahl von externen Anschlüssen für die Messzellen M_i,j der damit einhergehende Auflösungsverlust für die Dimension y auf das notwendigste beschränkt werden kann. Selbstverständlich kann auch eine Erhöhung der Auflösung in y-Richtung erreicht werden, bei gleichzeitigem Auflösungsverlust in x-Richtung. Aus allgemeiner Sicht gilt, dass die erforderliche Auflösung über eine zu vermessende Belastungsfläche (beispielsweise ein Nip mit einer Nip-Breite und einer Nip-Länge) im umgekehrten Verhältnis zu deren jeweiligen linearen Ausdehnung steht.
In 1 ist ein herkömmlicher Sensor 10 dargestellt, der eine Vielzahl von Messzellen M_i,j aufweist, die matrixförmig in Spalten S_j und Zeile Z_i angeordnet sind. Die Zeilen Z_i verlaufen hier in x-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems und die Spalten S_j in y-Richtung.
Die Messzellen M_i,j sind hier als quadratische Flächen dargestellt und bei angenommener minimaler Zellengröße möglichst dicht beieinander angeordnet, sodass die maximale Auflösung für beide Dimensionen gegeben ist. Die Zeilen Z_i und Spalten S_j verlaufen zueinander parallel mit äquidistanten Abständen. Innerhalb einer Zeile Z_i oder Spalte S_j sind die Messzellen M_i,j gegenüber benachbarten Messzellen M_i±1,j±1 zueinander nicht versetzt, sondern verlaufen auf einer virtuellen Geraden (wie ein rechtwinkliges Gitter, wobei in jedem Kreuzungspunkt eine Messzelle M_i,j angeordnet ist).
Soll beispielsweise eine flächig auf den Sensor 10 ausgeübte Kraft erfasst werden, deren Rand parallel zur x-Achse verläuft, so kann innerhalb einer Zeile Z_i nicht unterschieden werden, ob die Kraft auf alle Messzellen M_i,j der Zeile Z_i mit verminderter Stärke oder ob die Kraft in y-Richtung nur auf einen Teil jeder Messzelle M_i,j einwirkt. Es kann also nicht ermittelt werden, ob die Kraft stärker oder schwächer angreift oder ob die Kraft mit ihrem Rand der flächenhaften Ausbreitung in y-Richtung mehr oder weiniger weit fortgeschritten ist. Innerhalb einer Gruppe G_x von mehreren Spalten S_j messen daher bei herkömmlichen Sensoren alle Messzellen M_i,j in derselben Zeile Z_i die gleichen Werte. D. h. die Werte werden mehrfach redundant gemessen. Diese Vorrichtung kann die flächenhafte angreifende Kraft auch nicht genauer als eine gesamte Zeilenbreite, die dem Mittelpunktsabstand B zweier in einer Spalte S_j benachbarter Messzellen Z_i,j entspricht, auflösen.
Um die Auflösung zu erhöhen, sind erfindungsgemäß innerhalb einer Gruppe G_x und einer Zeile Z_i die Messzellen M_i,j einer Spalte S_j um einen spaltenweisen Versatz V (2) zur benachbarten Spalte S_j+1 versetzt angeordnet. Dadurch wird in y-Richtung eine höhere Auflösung erzielt, denn jede Messzelle misst auf einer anderen Höhe (an einer versetzten Fläche), ohne voll überlappend mit einer Höhe einer anderen Messzelle M_i,j innerhalb einer Gruppe G_x zu sein.
Innerhalb einer Gruppe G_x und Zeile Z_i sind keine zwei Messzellen M_i,j auf derselben Höhe, d. h. die gesamten Messzellen M_i,j einer Spalte S_j sind gegenüber der vorherigen Spalte S_j-1 gezielt versetzt angeordnet. Die Messzellen M_i+1,j der benachbarten Zeile Z_i+1 verlaufen somit äquidistant zu der vorherigen Zeile Z_i. Die höchste (in y-Richtung) Messzelle M_i+1,j der nächsten Zeile Z_i+1 weist ebenfalls den gleich großen Versatz V in y-Richtung zu der untersten (in y-Richtung) Messzelle M_i,j einer Gruppe G_x in der vorhergehenden Zeile Z_i (d. h. diejenige in der letzten Spalte S_j der Gruppe G_x) auf. Dadurch werden pro Flächeeinheit bei gleicher Auflösung in y-Richtung weniger Messzellen M_i,j (d. h. weniger Spalten S_j) als bei den Sensoren nach dem Stand der Technik benötigt.
Im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik weist der Sensor 10 pro Gruppe G_x eine Spalte S_j weniger auf, weil innerhalb einer Spalte S_j keine zwei Messzellen M_i,j auf gleicher Höhe – in y-Richtung gesehen – angeordnet sind. Da alle Messzellen M_i,j einer Spalte S_j jeweils um den Versatz V gegenüber der vorherigen Spalte S_j-1 versetzt sind, haben auch innerhalb einer Gruppe keine zwei Messzellen die selbe Höhe bzgl. der y-Richtung.
Selbstverständlich kann der Versatz V anstatt zur unmittelbar benachbarten Spalte S_j±1 auch zu irgendeiner Spalte S_j innerhalb der Gruppe G_x bestehen. Ausschlaggebend ist, dass alle Messzellen M_i,j einer Zeile innerhalb derselben Gruppe gleichmäßig verteilt bezüglich ihrer Höhe angeordnet sind und es immer eine Messzelle innerhalb der Zeile Z_i gibt, die den Versatz V zu einer anderen Messzelle Z_i aufweist, wobei keine zwei Messzellen M_i,j auf derselben Höhe angeordnet sind.
Die Messzellen M_i,j jeder Zeile Z_i sind gruppenweise äquidistant zu den Messzellen M_i±1,j der benachbarten Zeile Z_i±1 angeordnet. Jede Zeile Z_i nimmt eine Fläche mit einer Breite (Mittelpunktsabstand B) in Anspruch, innerhalb derer die Messzellen M_i,j jeder Gruppe G_x angeordnet sind. Die Messzellen M_i,j innerhalb der jeweiligen Zeile Z_i weisen einen Versatz V in y-Richtung zu den benachbarten Messzellen M_i±1,j auf und sind gleichmäßig über die Fläche verteilt angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich der Versatz V von Messzelle M_i,j zu Messzelle M_i,j±k innerhalb einer Gruppe G_x in y-Richtung zu: V = B/n mit B = Mittelpunktsabstand zwischen den Mittelpunkten zweier in einer Spalte benachbarter Messzellen M_i,j, d. h. der Mittelpunktsabstand B entspricht der Breite einer Zeile Z_i, und mit n = Anzahl der Messzellen M_i,j pro Zeile Z_i und pro Gruppe G_x. Sowie mit k als Laufvariable innerhalb einer Zeile Z_i und Gruppe G_x. Die Anzahl n gibt damit auch den Faktor zur Auflösungserhöhung gegenüber einer Anordnung mit nicht versetzten Spalten an.
Die Spalten S_j einer Gruppe G_x sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Daher nimmt unter der Voraussetzung einer dichtesten Packung für den minimalen Messzellenabstand generell die Auflösung in x-Richtung durch die Gruppenbildung von Spalten im gleichen Maße ab, wie die Auflösung in y-Richtung aufgrund des Versatzes der Spalten zunimmt. Das gleiche Verhalten resultiert aus einer Vorgabe für eine begrenzten Anzahl von externen Anschlüssen insgesamt oder pro Flächeneinheit des Sensors 10; hierdurch wird entweder die Gesamtzahl oder umgekehrt die örtliche Dichte der Messzellen fest vorgegeben.
Werden die Messzellen mit M_i,j bezeichnet (i = 1, ..., x Zeilen Z_i und j = 1, ..., y Spalten S_j), so sind die Messzellen M_1,1, M_1,2, M_1,3, usw. innerhalb einer Gruppe G_x jeweils um den Versatz V zueinander versetzt in y-Richtung. Innerhalb einer Gruppe G_x dürfen keine zwei Messzellen M_i,j auf gleicher ”Höhe” angeordnet sein. So ist bei den Ausführungsbeispielen mit drei Spalten S_j, die eine Gruppe G_x bilden, – beispielsweise wie in 2 – die letzte Spalte S_j gegenüber der ersten Spalte S_j derart versetzt, dass die Messzelle M₁₃ um den Versatz V gegenüber der ersten Messzelle M₂₁ in der nächsten Reihe in y-Richtung versetzt ist usw.
Die Anordnung der Messzellen M_i,j innerhalb einer Zeile Z_i ist in der 2 durch die Beschriftung der Messzellen M_i,j mit M₃₁ bis M₃₅ der dritten Zeile Z₃ und der gestrichelt gezeichneten Umfangslinie der Messzellen M_3,j verdeutlicht.
In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die konkrete Anordnung der Sensorzellen eines Sensor 10 mit erhöhter Auflösung durch den entsprechenden spaltenweisen Versatz V dargestellt. Der Sensor 10 weist Zeilenelektroden 11 und Spaltenelektroden 12 auf. Die Messzellen M_i,j stellen jeweils die Kreuzungsbereiche der Elektroden 11, 12 dar (in den Figuren teilweise als gepunktete Ovale gekennzeichnet). Mehrere Spalten S_j sind zu einer Gruppe G_x zusammengefasst. In den 2 und 3 sind drei Spalten S_j zu einer Gruppe G_x zusammengefasst.
Während die Messzellen M_i,j in y-Richtung innerhalb einer Gruppe G_x um jeweils den Versatz V zueinander versetzt angeordnet sind, sind die Messzellen M_i,j in x-Richtung um mindestens die Breite der Messzellen M_i,j zueinander versetzt. Ein Versatz V in x-Richtung ist dann nicht mehr möglich, wenn bereits die dichteste Anordnung der Messzellen M_i,j gemäß der 1 und 2 gewählt wird. Sind die Messzellen M_i,j insgesamt in allen Richtungen weiter voneinander entfernt (d. h. nicht so dicht gepackt wie zuvor), so kann sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung ein Versatz V zum Erhöhen der Auflösung vorgenommen werden.
Dadurch, dass die Messzellen M_i,j einer Spalte S_j innerhalb einer Gruppe G_x versetzt zu einer anderen Spalte S_j derselben Gruppe G_x angeordnet sind, wird bei gleicher Anzahl von externen Anschlüssen für die Messzellen M_i,j des Sensors 10 und verglichen mit einer nicht versetzten Anordnung die Auflösung in einer Dimension erhöht, wenn man von einer gleichgroßen Fläche des Sensors 10 ausgeht, innerhalb der die flächig aufgebrachte Kraft messzellenweise gemessen werden soll.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 beträgt der Versatz V einer Messzelle M_i,j zu der vorhergehenden Messzelle V = B/n = B/3, wenn n = 3 Messzellen M_i,j pro Zeile Z_i einer Gruppe G_x angeordnet sind und B der Mittelpunktsabstand zweier in einer Spalte S_j benachbarter Messzellen M_i,j, d. h. die Gesamtbreite einer Zeile Z_i ist. Diese Breite ergibt sich aus dem Abstand des Mittelpunkts einer Messzelle M_i,j zum Mittelpunkt der benachbarten Messzelle M_i+1,j in derselben Spalte S_j. Werden die Mittelpunkte der Messzellen M_i,j als Referenzpunkte verstanden, so ist der Versatz V immer unabhängig von der tatsächlichen Ausdehnung der Messzellen M_i,j und den Abständen der Ränder der Messzellen M_i,j zueinander.
Der gleiche Versatz V wie zuvor ergibt sich bei dem Ausführungsbeispiel nach 4. Dort sind ebenfalls drei Messzellen M_i,j pro Zeile Z_i und pro Gruppe G_x vorhanden. Einige Messzellen M_i,j sind dabei durch gepunktete Ovale markiert. Bei dem dortigen Ausführungsbeispiel befinden sich die Messzellen M_i,j innerhalb einer Gruppe G_x und einer Zeile Z_i auf einer geneigten Linie und sind von oben nach unten angeordnet (Zeilenelektrode 11 verläuft schräg zur Horizontalen). Am Ende der Gruppe G_x verlaufen die Zeilenelektroden 11 wieder zurück an die oberste Position.
Dieser Verlauf der Messzellen M_i,j setzt sich beim Ausführungsbeispiel nach 4 in jeder Gruppe G_x fort. Die Messzellen M_i,j der benachbarten Zeile Z_i sind dazu spaltenweise äquidistant angeordnet, d. h. die Messzellen M_i,j sind spaltenweise versetzt angeordnet. Innerhalb einer Gruppe G_x ist die oberste (d. h. diejenige mit der höchsten Position) Messzelle M_i,j einer Zeile Z_i um den Versatz V gegenüber der untersten (d. h. diejenige mit der untersten Position) Messzelle M_i-1,j der vorherigen Zeile Z_i-1 um den Versatz V in y-Richtung versetzt angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 sind die Messzellen M_i,j von Gruppe G_x zu Gruppe G_x+1 spiegelsymmetrisch angeordnet (zickzackförmiger Verlauf). Der Versatz V von Messzelle M_i,j zu Messzelle M_i,j+1 innerhalb einer Reihe und von der untersten Messzelle M_i,j zur obersten Messzelle M_i,j+1 der nächsten Spalte S_j+1 ist überall identisch, was zu einer gleichmäßigen Auflösung pro Flächeneinheit bei vorgegebener Anzahl von externen Anschlüssen führt. Die Gruppen G_x sind dabei so gewählt, dass keine zwei Messzellen M_i,j innerhalb der Gruppe G_x auf gleicher Höhe angeordnet sind und die Messzellen M_i,j bezüglich ihrer Höhe gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Messzellen M_i,j innerhalb einer Zeile Z_i überlappen sich auch nicht bezüglich ihrer Höhe mit den Messzellen der beiden benachbarten Zeilen Z_i±1. Daher gibt es in der gesamten Gruppe G_x immer eine Messzelle M_i,j, die einen Versatz V zu einer anderen Messzelle innerhalb derselben Gruppe G_x hat.
Messtechnisch ist jede kanonische Vertauschung von Spalten S_j innerhalb einer Gruppe gleichwertig, d. h. prinzipiell reicht es, dass zwei beliebige statt zwei benachbarte Spalten S_j einer Gruppe G_x den oben beschriebenen Versatz V zueinander aufweisen. Insbesondere die Spaltenfolgen mit einfachem zickzackförmigen Verlauf der horizontalen Positionen (innerhalb derselben Gruppe G_x) heben sich aus diesen zusätzlichen Möglichkeiten heraus, da sich hierfür zwischen den einzelnen Gruppen G_x ein entsprechend minimaler Versatz ergibt.
Jede Messzelle M_i,j ist über externe Anschlüsse elektrisch an eine Auswerteeinheit angeschlossen und ist somit adressierbar. Zur Auswertung wird eine Gruppe G_x zu einer einzigen virtuellen Spalte zusammengefasst, deren Messzellen M_i,j dann virtuell dichter angeordnet sind. Somit wird für den gesamten Sensor 10 bezogen auf einen Sensor ohne ”Gruppierung mit internem Spaltenversatz” eine um den Faktor n höhere Auflösung in y- und um den Faktor 1/n niedrigere in x-Richtung erreicht, wenn n die Anzahl von Messzellen M_i,j pro Zeile Z_i und Gruppe G_x ist.
Die Auflösung in x-Richtung würde durch eine räumliche Trennung der virtuellen Spalten untereinander weiter sinken, was aber z. B. bei Nip-Messungen wegen des hohen Verhältnisses von Nip-Länge zu Nip-Breite keine Einschränkung darstellt. Dadurch, dass mit der Erfindung keine redundanten Messungen vorgenommen werden, wird eine optimale Ausnutzung einer vorgegebenen Anzahl von externen Anschlüssen 14 (vgl. 7) erreicht. Insbesondere kann durch die geeignete Wahl des Parameters n das optimale Verhältnis für die Auflösungen in x- und y-Richtung eingestellt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6 sind nur n = 2 Spalten S_j zu einer Gruppe G_x zusammengefasst. Die Messzellen M_1,j in der ersten Spalte S₁ der Gruppe G_x sind in y-Richtung versetzt zu den Messzellen M_i,2 in der zweiten Spalte S₂. Der Verlauf der Zeilenelektroden 11 ist hier stufenförmig (oder trapezförmig) mit horizontalen Abschnitten im Bereich einer Spalte S_j und geneigten (zur x-Achse geneigt) Abschnitten dazwischen. Der Versatz V der Spalten S_j, d. h. Versatz V innerhalb einer Reihe von Messzelle M_i,j der ersten Spalte S₁ zur Messzelle M_i,2 der benachbarten zweiten Spalte S₂ beträgt jeweils V = B/n = B/2, da n = 2 Messzellen M_i,j in einer Zeile Z_i pro Gruppe G_x angeordnet sind. Der Versatz V beträgt also die Hälfte des Mittelpunktsabstands B.
Beträgt der Mittelpunktsabstand B nicht ein ganzzahliges Vielfaches des jeweiligen Spaltenversatzes, so ist die Erhöhung der Auflösung entlang der Spaltenrichtung nicht gleichmäßig; insbesondere könnte es dann bei einzelnen Positionen zu vergleichbaren oder identischen Höhenwerten und damit zu redundanten Messwerten kommen. Wird daher der Versatz V so gewählt, dass der Mittelpunktsabstand B ein ganzzahliges Vielfaches dieses Wertes beträgt, ergibt sich eine einheitliche Auflösung und, bei einer fest vorgegebenen Anzahl von externen Anschlüssen, pro Flächeneinheit eine größt mögliche Auflösungserhöhung in y-Richtung (in einer Dimension).
Analog zu dem Gesagten kann durch einen entsprechend definierten Zeilenversatz auch die Auflösung in Zeilenrichtung erhöht werden. Die hier vorgeschlagene Anordnung von versetzten Messzellen M_i,j ist insbesondere dann zur Auflösungserhöhung sinnvoll, wenn die Messzellengröße durch technische Erfordernisse oder aus Empfindlichkeitserwägungen nicht weiter reduziert werden kann und/oder wenn der Abstand der Messzellen M_i,j untereinander kein Einfügen weiterer Zellen zulässt. Letzteres bedeutet, dass der Zeilen- (bzw. Spalten-) -abstand kleiner als die doppelte Zellenausdehnung (d. h. Minimalabstand) ist.
In 7 ist ein elektrisches Anschlussschema für die Messzellen M_i,j über elektrische, äußere Anschlüsse 14 des Sensors 10 dargestellt. Der Sensor 10 besteht aus matrixförmig angeordneten Messzellen M_i,j, die in einem vorgegebenen Schema aus i Zeilen Z_i und j Spalten S_j angeordnet sind. Die Spalten S_j sind in Gruppen G_x aufgeteilt, wobei zwischen den Gruppen G_x Bereiche auf dem Sensor 10 sind, in denen keine Messzellen angeordnet sind. Nur im Bereich der Messzellen M_i,j können physikalische Parameter je nach Ausführungsform der Messzellen M_i,j gemessen werden. Die Spalten S_j in einer Gruppe G_x sind jeweils in y-Richtung zu den benachbarten Spalten S_j+1 um den Versatz V versetzt, ohne dass die Messzellen zweier Spalten S_j innerhalb der Gruppe G_x auf gleicher Höhe sind.
Jede Messzelle M_i,j weist hier zumindest eine obere und eine untere Elektrode (Zeilenelektroden 11 und Spaltenelektroden 12) auf, zwischen denen eine nicht dargestellte, elektrische oder dielektrische Zwischenschicht angeordnet ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diese Zwischenschicht in ihren Eigenschaften abhängig von der auf die Messzelle M_i,j ausgeübten Kraft, d. h. die Kraft kann bereichs- oder punktweise im Bereich der Messzelle M_i,j gemessen werden. Durch die Kraft auf den Sensor 10 ändert sich der Abstand der oberen und unteren Elektrode 11, 12 und dies punktweise überall dort, wo die Kraft angreift. Wenn die Messzellen M_i,j gleichmäßig mit einer hohen Messauflösung über eine Fläche verteilt sind, so kann die flächige Verteilung einer angreifende Kraft gemäß der Sensorauflösung genau bestimmt werden.
Durch die Abstandsänderungen der Elektroden 11, 12 infolge der einwirkenden Kraft kann sich entweder der Widerstand oder die Kapazität zwischen den Elektroden 11, 12 ändern, woraus dann die entsprechende Kraft ermittelt wird. Um die Widerstände oder Kapazitäten zu messen, werden externe Anschlüsse 14 mit einer entsprechenden Auswerte- oder Messeinheit benötigt. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Zeilen- und Spaltenadressleitungen, um durch den Matrixaufbau den Verdrahtungsaufwand zu minimieren.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind j = 44 Spalten S_j und i = 52 Zeilen Z_i vorhanden, aus denen sich 2288 Messzellen M_i,j ergeben und insgesamt 96 externe elektrische Anschlüsse 14. Die Messzellen M_i,j werden über die Zeilen- und über die Spaltenelektroden 11, 12 angesteuert oder Strom oder Spannung dort abgegriffen, wodurch die Eigenschaften der Messzellen M_i,j unter Einfluss einer Kraft ausgewertet werden können.
Vorteilhafterweise sind hier mehrere Gruppen G_x elektrisch miteinander verbunden (dies wird anhand von zwei Leiterführungen für die oberste Zeile Z₁ und die unterste Zeile Z_i verdeutlicht, wobei die anderen Leiterführungen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind). Wie die Leiterbahnführung in diesem Beispiel zeigt, kann insbesondere für eine vorgegebene Anzahl von Anschlüssen 14 eine Abweichung der Zeilen Z_i und Spalten S_j der Messzellenmatrix vom Verlauf der Zeilen- und Spaltenelektroden 11, 12 der Adressierungsleitungen sinnvoll sein, um die erforderliche Kontaktfläche und gewünschte Auflösung für eine konkrete Messaufgabe mit Messzellen M_i,j abdecken zu können.
Durch die Vielzahl der Messzellen M_i,j kann der gesamte Bereich der flächenhaft einwirkenden Kraft gemessen werden. Vorzugsweise wird ein solcher Sensor 10 dazu verwendet, eine so genannte Nip-Breite (Breite einer Belastungszone = Nip 15, 16 durch Anpresswalzen 17, 17' und 18, 18'; 8) von zwei Anpresswalzenpaaren 17, 17' und 18, 18' eines Druckers oder Kopierers auszumessen, d. h. es soll gemessen werden, ob die beiden Walzenpaare 17, 17' und 18, 18' im späteren Betrieb und bei dazwischen befindlichem Papierband auf der gesamten Breite des Papierbandes mit einer gewünschten Kraft gleichmäßig aufeinander pressen. Es wird auch ermittelt, ob die beiden Nip 15, 16 und damit die beiden Walzenpaare 17, 17' und 18, 18' genau parallel zueinander ausgerichtet sind.
Der gesamte Bereich, in dem die beiden Walzen 17 und 17' bzw. 18 und 18' eines Walzenpaares 17, 17' bzw. 18, 18' mechanischen Kontakt haben und damit der mechanische Druck zwischen den Walzen 17 und 17' über einem Schwellwert liegt, wird als Nip 15, 16 entlang der Länge der zylindrischen Walzen 17, 18 bezeichnet. Beim Nip 15 oder 16 ergibt sich optimalerweise eine annähernd rechteckförmige Kraftfläche, die durch den Sensor 10 erfasst wird. Hierzu wird der Sensor 10 anstatt eines Aufzeichnungsträgers jeweils zwischen die zwei Walzenpaare 17, 17' und 18, 18' eingeklemmt, so dass eine Kraft mit einer linearen Kraftfront auf den Sensor 10 einwirkt. Der flächige (hier etwa rechteckförmige) Belastungsbereich (Nip 15, 16) wird erfasst.
Wenn hier nur die linearen Ränder des Belastungsbereichs interessieren und das insbesondere nur in einer Richtung, genügt es, wenn die Spalten S_j parallel zueinander (und zur y-Achse) verlaufen und die Messzellen M_i,j der Zeilen Z_i in y-Richtung zueinander versetzt sind. Es genügt in diesem Fall, nicht die gesamte Fläche des Sensors 10 mit Messzellen M_i,j zu versehen, sondern immer nur gruppenweise zu messen, wobei zwischen den Gruppen G_x größere Abstände ohne Messzellen vorhanden sein können.
Soll gleichzeitig oder alternativ die Gesamtkraft pro Flächeneinheit (Druck) bestimmt werden, so muss sichergestellt werden, dass entweder die Messzellen M_i,j die Gesamtfläche abdecken oder dass durch eine Kalibrierprozedur die empfindliche Sensorfläche auf die Gesamt-Nip-Fläche umgerechnet werden kann; dies ist notwendig, da in der Regel der Sensor 10 im Bereich der Messzellen M_i,j dicker ist als im Zwischenbereich, wo nur die Trägerfolie mit den Leiterbahnen zum Aufbau beiträgt. Speziell harte Walzen würden sich im diesem Fall nur auf den Messzellen M_i,j abstützen, was die reale Flächenlast je nach Flächenverhältnis deutlich erhöhen kann.
Es ist dann auch ersichtlich, dass hier eine Auflösungserhöhung durch entsprechenden Spaltenversatz sinnvoll sein kann, da eine geometrisch nur teilweise belastete Messzelle M_i,j auch nur einen über die Gesamtfläche integrierten Kraftwert liefert, der dann zu klein ist. Je höher die Auflösung, um so besser kann die Sensorfläche in be- und unbelastete Messflächen unterschieden werden; dies gilt insbesondere auch für unterschiedliche Auflösungen in den verschiedenen Raumrichtungen.
In 8 ist eine perspektivische Sicht der Anpresswalzenpaare 17, 17' und 18, 18' mit je zwei Anpresswalzen 17, 17' bzw. 18, 18' ausschnittsweise dargestellt. Zwischen den beiden Anpresswalzen 17, 17' bzw. 18, 18' ist der Sensor 10 angeordnet. Durch das Aneinanderpressen der Walzen 17, 17' ergibt sich ein rechteckförmiger Nip 15 über die gesamte Länge der Walzen 17, 17'. Dieser Nip 15 kann nun in seiner Lage zu dem Nip 16 des anderen Walzenpaares 18, 18' erfasst und daraus die Ausrichtung der Walzen 17, 17' und 18, 18' ermittelt und nachfolgend wie gewünscht eingestellt werden. Der Sensor 10 ist vorzugsweise rechteckförmig ausgebildet, da ein annähernd rechteckförmiger Nip 15, 16 zu messen ist. Der Sensor 10 ist so breit/lang, dass beide Walzenpaare 17, 17' und 18, 18' über die gesamte Breite gleichzeitig vermessen werden können.
Bei einer zu erwartenden Nip-Breite von ca. 2 mm (bei etwa 600 mm Nip-Länge) sind für eine ausreichende Auflösung ca. 5 Messpunkte pro mm notwendig. Nur durch den erfindungsgemäßen Versatz V der Messzellen M_i,j in Spaltenrichtung und bei einem technisch vorgegebenen Minimalabstand zwischen den Messzellen (möglichst dicht angeordnet Messzellen M_i,j) wird diese hohe Auflösung erreicht. Wären die Messzellen M_i,j in einem rechteckigen oder quadratischen Muster als rechtwinklige Matrix angeordnet, so wäre diese hohe Auflösung nicht erzielbar, da die minimale Auflösung in y-Richtung mindestens einem Mittelpunktsabstand B beträgt.
Wären die Messzellen M_i,j zwar zickzackförmig angeordnet, aber so, wie beim oben zitierten Stand der Technik mit redundanten Messzellen M_i,j (d. h. sich bezüglich ihrer Höhe überlappenden Messzellen), so würde pro Gruppe G_x jeweils eine komplette Zusatzspalte benötigt, die bei gleicher Auflösung zusätzliche Messzellen M_i,j und damit mehr externe Anschlüsse 14 erfordern. Ist allerdings durch den Herstellungsprozess oder durch die Realisierung der Auswertung des Sensors 10 die Anzahl der externen Anschlüsse 14 fest vorgegeben, so kann gemäß der vorliegenden Erfindung nur über eine effektivere Ausnutzung der vorhandenen Messzellen M_i,j eine höhere Auflösung ermöglicht werden.
Der Verlauf der Zeilenelektroden 11 ist derart (trapezförmig, stufenförmig, sägezahnförmig, usw.), dass die Messzellen M_i,j entsprechend versetzt sind, damit die optimale Auflösungserhöhung erreicht wird.
Die Messzellen M_i,j einer Spalte S_j können gegenüber den Messzellen M_i,j einer anderen Spalte S_j derselben Gruppe G_x sowohl in Richtung vorhergehender (negativer Versatz) als auch nachfolgender Zeilen Z_i±1 um den Versatz V = B/n (positiver Versatz) versetzt sein. Gegenüber den Spalten einer benachbarten Gruppe G_x±1 kann ein Spaltenversatz V_G von V_G = (n – 1)B/n bestehen. Der Spaltenversatz V_G bezeichnet also den Versatz von Spalten S_j einer Gruppe G_x zur nächsten oder vorhergehenden Gruppe G_x±1.
Die Messzellen M_i,j einer Spalte S_j derselben Gruppe G_x können auch dermaßen versetzt sein, dass der Versatz V von benachbarten Spalten S_j, S_j+1 derselben Gruppe mit aufsteigendem Index k der Spalten S_j+k (eine Spalte nach der anderen) gleich V = 2B/n, bei k ≤ n/2, der folgende Versatz V = B/n ist, falls n gerade oder V = –B/n (Versatz V in entgegengesetzte Richtung), falls n ungerade und anschließend der Versatz V = –2B/n beträgt, wobei der Spaltenversatz V_G zwischen den Gruppen V_G = B/n ist.
Gemäß 7 können die Messzellen jeweils einer Spalte S_j innerhalb zumindest einer Gruppe G_x in Richtung der vorhergehenden Zeilen Z_i versetzt sein und innerhalb zumindest einer anderen Gruppe G_x in Richtung der nachfolgenden Zeilen Z_i+m (d. h. in die entgegengesetzte Richtung) versetzt sein. Dies wird durch die beiden Gruppen G₂ und G₃ verdeutlicht, wobei in der Gruppe G₂ die nachfolgenden Spalten S_j+k in ihrer Höhenposition nach oben, d. h. in Richtung der vorhergehenden Zeile Z_i-1, versetzt sind und in der Gruppe G₃ die nachfolgenden Spalten S_j nach unten, d. h. in Richtung der nachfolgenden Zeilen Z_i+1 versetzt sind.
Gemäß 7 weist der Sensor 10 Bereiche zwischen den Gruppen G₁, G₂ und G₃ auf, in denen keine Messzellen M_i,j angeordnet sind. Genauso können dort passive Messzellen angeordnet sein, die physikalisch genauso wie normale oder aktive Messzellen aufgebaut sind, jedoch nicht mit den Zeilen- und/oder Spaltenelektroden 11, 12 elektrisch verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor 10 an seiner Oberfläche gleich aufgebaut ist. Die Walzen 17, 17', 18, 18' liegen dann gleichmäßig auf dem Sensor 10 auf, unabhängig davon, ob in dem Nip-Bereich die Auflagekraft gemessen wird oder nicht. Dann können Walzen 17, 17', 18, 18' sowohl mit harter als auch sehr harter Oberfläche verwendet werden, und dennoch werden die Walzen 17, 17', 18, 18' gleichmäßig abgestützt.
Für die Erfindung ist es unerheblich, ob nur die Spalten S_j in Zeilenrichtung versetzt sind oder ob die Zeilen Z_i in Spaltenrichtung versetzt sind. Spalten und Zeilen können somit vertauscht sein und jeweils entweder Spalten oder Zeilen zueinander um den Versatz V versetzt sein.
Zum Auswerten des Sensors werden alle Messzellen M_i,j einer Gruppe G_x erfindungsgemäß zu einer virtuellen Spalte zusammengefasst. Die einzelnen Messzellen M_i,j jeder Gruppe G_x werden in der Reihenfolge ihrer entsprechenden Höhenposition ausgewertet. Die Höhenposition ist durch den gleichmäßigen Versatz V über alle Spalten S_j der Gruppe G_x gegeben. Es kann dann entsprechend zunehmender oder abnehmender Höhe ausgewertet werden. Beispielsweise wird bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 zuerst die Messzelle M_1,1, dann M_1,2, danach M_1,3 und dann M_2,1 usw. ausgewertet. Denn die Messzelle M_1,1 hat die höchste Position innerhalb der Gruppe. Danach kommt die Messzelle M_1,2 mit der zweithöchsten Position.
Wäre die Spalte S₂ gegenüber der ersten Spalte S₁ nach oben, anstatt nach unten, versetzt, so würde zuerst die Messzelle M_1,2, danach die Messzelle M_1,1 und dann erst die Messzelle M_1,3 ausgewertet. Anschließend würden die Messzelle M_2,2, danach die Messzelle M_2,1 usw. ausgewertet.
Die Messzellen M_i,j einer Gruppe G_x werden also als eine virtuelle Spalte S_j gesehen, die in der Reihenfolge ihrer Höhenposition in auf- oder absteigender Reihenfolge ausgewertet werden. In der virtuellen Spalte haben alle Messzellen M_i,j eine um den Versatz V versetzte, gleichmäßig über die gesamte Länge der Spalte S_j verteilte Höhenposition, unabhängig davon, in welcher Spalte sie tatsächlich angeordnet sind. Durch dieses spezielle Verfahren des Auswertens wird eine lineare Kraftfront möglichst schnell erkannt, da die Messzellen M_i,j in der Reihenfolge ihrer Höhenlage und damit in Richtung der Kraftfortschreitung ausgewertet werden.
Bezugszeichenliste

10: Sensor
11: Elektrode Zeile
12: Elektrode Spalte
14: Externer Anschluss
15, 16: Nip
17, 17', 18, 18': Anpresswalze
B: Mittelpunktsabstand zweier Messzellen in einer Spalte
G_x: Gruppe
k: Laufindex für die Spalten einer Gruppe Messzelle
n: Anzahl der Messzellen pro Zeile und Gruppe
S_j: Spalte
V: spaltenweiser Versatz von Messzellen
V_G: Gruppenversatz
Z_i: Zeile

Claims

Sensor, insbesondere zum Messen einer auf den Sensor (10) ausgeübten Kraft, der eine erste und eine zweite Vielzahl von Messzellen (M_i,j) aufweist, die matrixförmig in Spalten (S_j) bzw. Zeilen (Z_i) angeordnet sind, wobei alle Messzellen (M_i,j) in einer Zeile (Z_i) jeweils einen gleich großen Abstand zu den jeweils benachbarten Messzellen (M_i+1,j) der benachbarten Zeile (Z_i+1) aufweisen und die Gesamtheit aller Messzellen (M_i,j) von zumindest zwei benachbarten Spalten (S_j) zu einer Gruppe (G_x) zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, – dass innerhalb derselben Gruppe (G_x) jeweils zu den Messzellen, (M_i,j) einer Spalte (S_j) mindestens eine oder höchsten zwei andere Spalten (S_j±m) existieren, deren entsprechende Messzellen (M_i,j±y) auf die Zeilen (Z_i) bezogen einen Versatz (V) von V = B/n zueinander aufweisen, mit B = Mittelpunktsabstand benachbarter Messzellen (M_i,j) in einer Spalte (S_j) und n = ganzzahlige Anzahl der Messzellen (M_i,j) pro Gruppe (G_x) und Zeile (Z_i), wobei keine zwei Messzellen (M_i,j) innerhalb derselben Zeile (Z_i) und derselben Gruppe (G_x) auf derselben Höhe angeordnet sind, – dass innerhalb derselben Gruppe (G_x) alle Messzellen (M_i,j) bezüglich ihrer Höhe gleichmäßig verteilt sind sowie keine Messzelle (M_i,j) einer Zeile (Z_i) bezüglich ihrer Höhe im Bereich einer Nachbarzeile (Z_i±1) angeordnet ist, und – dass immer genau eine Messzelle (M_i,j) innerhalb einer Zeile (Z_i) derselben Gruppe (G_x) den Versatz (V) von V = B/n zu einer anderen Messzelle (M_i±1,j) der benachbarten Zeile (Z_i±1) derselben Gruppe (G_x) aufweist, um in Spaltenrichtung durch eine durchgehende Messzellendichte eine einheitliche Auflösung zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Versatz (V) in Richtung vorhergehender oder nachfolgender Zeilen (Z_i±1) von benachbarten Spalten (S_j, S_j+1) innerhalb derselben Gruppe (G_x) V = B/n ist, wobei ein Spaltenversatz (V_G) zwischen der letzten Spalte (S_j) einer Gruppe (G_x) und der ersten Spalte (S_j) der nachfolgenden Gruppe (G_x+1) von V_G = (n – 1)B/n besteht.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (V) von benachbarten Spalten (S_j, S_j+1) derselben Gruppe mit aufsteigendem Index k der Spalten (S_j+k) V = 2B/n beträgt, wenn k ≤ n/2 ist, der folgende Versatz V = B/n ist, wenn n gerade ist oder V = –B/n, wenn n ungerade ist, und anschließend der Versatz V = –2B/n beträgt und entsprechend für absteigenden Index k umgekehrt.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb zumindest einer Gruppe (G_x) die Messzellen (M_i,j) jeweils einer Spalte (S_j) in Richtung der vorhergehenden Zeilen (Z_i) versetzt sind und innerhalb zumindest einer anderen Gruppe (G_x) die Messzellen (M_i,j) jeweils einer Spalte (S_j) in Richtung der nachfolgenden Zeilen (Z_i+m) versetzt sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messzelle (M_i,j) jeweils zwei sich gegenüberliegende Elektroden (11, 12) aufweist, zwischen denen eine Zwischenschicht aus einem elektrischen oder dielektrischen Material angeordnet ist, dessen elektrische oder dielektrische Eigenschaften sich aufgrund der auf die Messzelle (M_i,j) ausgeübten Kraft ändern.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Widerstandsschicht ist, deren Widerstand kraftabhängig ist.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht ein Dielektrikum ist, dessen Dicke sich abhängig von der auf die Messzelle (M_i,j) ausgeübten Kraft ändert.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzellen (M_i,j) einer Spalte (S_j) parallel zu den Messzellen (M_i,j±1) der Nachbarspalten angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) Bereiche zwischen den Gruppen (G_x) aufweist, in denen keine Messzellen angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) Bereiche zwischen den Gruppen (G_x) aufweist, in denen passive Messzellen angeordnet sind, die physikalisch genauso wie aktive Messzellen aufgebaut sind, jedoch nicht mit den Zeilen- und/oder Spaltenelektroden (11, 12) elektrisch verbunden sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Zeilenelektroden (11) linear, stufig oder trapezförmig verlaufen und sich mit Spaltenelektroden (12) kreuzen, wodurch im Kreuzungsbereich eine Messzelle (M_i,j) gebildet wird.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spalten (S_j) und Zeilen (Z_i) vertauscht sind und dass die Zeilen zueinander mit dem Versatz (V) versetzt sind, anstatt dass die Spalten zueinander versetzt sind.
Verfahren zum Auswerten eines Sensors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Messzellen (M_i,j) einer Gruppe (G_x) zu einer virtuellen Spalte zusammengefasst werden und dass die Messzellen (M_i,j) in der Reihenfolge ihrer entsprechenden Höhenposition, die durch den gleichmäßigen Versatz über alle Spalten (S_j) der Gruppe (G_x) gegeben ist, entsprechend zunehmender oder abnehmender Höhe ausgewertet werden.