DE102010034704A1

DE102010034704A1 - Taktiler Sensor mit zumindest einem elastischen dehnbaren elektrischen Widerstandselement

Info

Publication number: DE102010034704A1
Application number: DE102010034704A
Authority: DE
Inventors: Michael Strohmayr
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: DE102010034704B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen taktilen Sensor (1) mit zumindest einem polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselement, das eine dehnungsabhängige veränderliche Leitfähigkeit aufweine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit umsetzbar ist, Um ein verbessertes taktiles Sensieren zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das zumindest eine polymerbasierte elastisch dehnbare dehnungssensitive elektrische Widerstandselement zwischen eine erste polymerbasierte elastische elektrische Leitung (3) und eine zweite polymerbasierte elastische elektrische Leitung (5) geschaltet ist, wobei eine Leitfähigkeit der Leitungen (3, 5) dehnungsunveränderlich oder zumindest weniger dehnungsabhängig veränderlich als die Leitfähigkeit des zumindest einen polymerbasierten elastisch dehnbaren dehnungssensitiven elektrischen Widerstandselements ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen taktilen Sensor mit zumindest einem polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselement, das eine dehnungsabhängige veränderliche elektrische Leitfähigkeit aufweist und mittels dem ein mechanischer Stimulus in eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit umsetzbar ist.
Gattungsgemäße taktile Sensoren sind bekannt. Diese können beispielsweise zur Umsetzung und Erfassung von mechanischen Stimuli, wie z. B. Druck, Kraft, Berührung, Moment, Scherkraft, Vibration, Rutschen, und/oder Ähnlichem durch eine Umsetzung dieser Berührungssignale in messbare Dehnungen des elektrischen Widerstandselements gewandelt werden. Die DE 10 2007 20 131 A1 bezieht sich auf einen taktilen Flächensensor zum Einsatz in technischen Handhabungssystemen. Der Flächensensor weist mehrere elektrische Widerstandsleitungen an oder in einem elektrisch nicht leitenden und elastischen Grundkörper auf. Die Leitungen werden von Partikelbahnen aus elektrisch leitenden Partikeln in einem elektrisch nicht leitenden und elastisch verformbaren Leitungskörper gebildet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes taktiles Sensieren zu ermöglichen, insbesondere eine möglichst hohe und/oder richtungsgebundene Auflösung mechanischer Stimuli zu ermöglichen.
Die Aufgabe ist bei einem taktilen Sensor mit zumindest einem polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselement, das eine dehnungsabhängige veränderliche Leitfähigkeit aufweist und mittels dem ein mechanischer Stimulus in eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit umsetzbar ist dadurch gelöst, dass das zumindest eine polymerbasierte elastisch dehnbare elektrische Widerstandselement zwischen eine erste elastische elektrische Leitung und eine zweite elastische elektrische Leitung geschaltet ist, wobei eine Leitfähigkeit der Leitungen nahezu dehnungsunveränderlich oder zumindest weniger dehnungsabhängig veränderlich als die Leitfähigkeit des zumindest einen polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselements ist. Vorteilhaft ist das zumindest eine polymerbasierte elektrische und elastisch dehnbare Widerstandselement zwischen die erste und zweite elastische elektrische Leitung geschaltet, die als elektrische Zuleitungen zu dem eigentlich taktil sensitiven elektrischen Widerstandselement dienen. Vorteilhaft führen elastische Dehnungen der ersten und zweiten elektrischen Leitung zu keiner oder zu einer vernachlässigbar kleinen Änderung eines entsprechend von dem elektrischen Widerstandselement abgreifbaren elektrischen Signals. Unter zumindest weniger dehnungsabhängig veränderlich kann ein Unterschied der dehnungsabhängig veränderlichen Leitfähigkeit in einem Faktor von > 1:2, insbesondere > 1:5, insbesondere > 1:10, insbesondere > 1:15, insbesondere > 1:20, insbesondere > 1:50, insbesondere > 1:100, insbesondere zwischen 1:5 und 1:15, verstanden werden. Vorteilhaft können mittels den zumindest weniger dehnungsabhängig veränderlichen elektrischen Leitungen vergleichsweise volumenmäßig kleine elektrische Widerstandselemente ausgewertet werden, wobei vorteilhaft eine vergleichsweise hohe, insbesondere räumliche, Auflösung mechanischer Stimuli bei einer vergleichsweise hohen Messgüte möglich ist. Unter nahezu dehnungsunveränderlich können Änderungen der Leitfähigkeit beim Betrieb, insbesondere einer Vollaussteuerung im Vergleich zu einem Ruhezustand, des Sensors von vorzugsweise ungefähr 50%, insbesondere weniger als 85%, insbesondere weniger als 50%, insbesondere weniger als 30%, insbesondere weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, insbesondere zwischen 10% und 50%, insbesondere zwischen 30% und 85%, insbesondere zwischen 50% und 85%, insbesondere zwischen 1% und 30%, insbesondere zwischen 1% und 15%, insbesondere weniger als 5%, insbesondere weniger als 1%, insbesondere weniger als 0,1% verstanden werden. Unter polymerbasiert kann insbesondere verstanden werden, das das Widerstandselement ein Polymer aufweist. Unter elastisch dehnbar kann verstanden werden, dass eine reversible elastische Längung um 50% bis 600%, insbesondere 70% bis 550%, insbesondere 100% bis 500%, insbesondere 200% bis 400%, insbesondere 250% bis % bis 350%, möglich ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass die erste elastische elektrische Leitung in einer ersten Leiterbahnebene und die zweite elastische elektrische Leitung in einer zweiten Leiterbahnebene berührungsfrei zueinander angeordnet sind. Vorteilhaft können die erste elektrische Leitung und die zweite elektrische Leitung in den unterschiedlichen Leiterbahnebenen berührungsfrei und damit vorteilhaft elektrisch isoliert zueinander geführt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass das zumindest eine polymerbasierte elastisch dehnbare elektrische Widerstandselement in einer Widerstandsebene angeordnet und/oder gekrümmt ist. Vorteilhaft kann das Widerstandselement in einer separaten Widerstandsebene, also räumlich getrennt beziehungsweise berührungsfrei zu den elektrischen Leitungen geführt werden. Durch die Krümmung kann beispielsweise ein stark nichtlineares Ansprechverhalten voreingestellt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass zwischen der ersten elastischen elektrischen Leitung und der zweiten elastischen elektrischen Leitung eine nicht leitende erste Trennschicht angeordnet ist. Vorteilhaft kann mittels der nicht leitenden ersten Trennschicht sichergestellt werden, dass die elastischen elektrischen Leitungen elektrisch voneinander isoliert sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass zwischen einer Berühroberfläche des taktilen Sensors und dem zumindest einen polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselement eine nicht leitende zweite Trennschicht angeordnet ist. Vorteilhaft kann mittels der nicht leitenden zweiten Trennschicht das elastisch dehnbare elektrische Widerstandselement geschützt und elektrisch gegen eine Umwelt des taktilen Sensors isoliert werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass die Trennschichten oder zumindest eine der Trennschichten elastische Eigenschaften aufweisen/aufweist. Vorteilhaft können die Trennschichten auf das Einbringen eines mechanischen Stimulus mit einer elastischen Verformung reagieren und diese an das elektrische Widerstandselement weitergeben, so dass der mechanische Stimulus insgesamt in eine elastische Dehnung des elektrischen Widerstandselements und damit in eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des elektrischen Widerstandselements umsetzbar ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass die Berühroberfläche elektrisch leitfähig ist und/oder eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist. Vorteilhaft können auf die Berühroberfläche wirkende Ladungen, Spannungen und/oder Elektromagnetische Einflüsse abgeleitet und/oder minimiert werden. Hierdurch kann vorteilhaft eine statische Aufladung verhindert und/oder eine elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass zwischen den Trennschichten ein Freiraum verbleibt und/oder dass der Freiraum mit einem Fluid gefüllt und/oder befüllbar ist und/oder dass der Freiraum mit einem Druck beaufschlagt und/oder beaufschlagbar ist. Vorteilhaft kann dadurch eine Übertragungsfunktion des Sensors eingestellt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass der taktile Sensor eine Vielzahl i polymerbasierter elastisch dehnbarer elektrischer Widerstandselemente R_i und eine Vielzahl i von zweiten elastischen Leitungen L_i aufweist, mit i = 1, 2, ..., wobei jedes der polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i zwischen eine der zweiten elastischen Leitungen L_i und die erste elastische Leitung geschaltet ist oder dass der taktile Sensor eine Vielzahl i polymerbasierter elastisch dehnbarer elektrischer Widerstandselemente R_i und eine Vielzahl i von zweiten elastischen Leitungen L_i sowie eine Vielzahl k von ersten elektrischen Leitungen aufweist, mit i = 1, 2, ..., mit k = 1, 2, ..., wobei jedes der polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i zwischen eine der zweiten elastischen Leitungen L_i und eine der ersten elastischen Leitungen geschaltet ist. Für den Fall k = i ist jedes der Widerstandselemente zwischen eine der zweiten elastischen Leitungen L_i und eine der ersten elastischen Leitungen geschaltet. Für den Fall k = 1 wird ein Minimum an Leitungen benötigt, wobei die Vielzahl elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i einer gemeinsamen ersten elastischen Leitung zugeordnet sind. Vorteilhaft weisen dann die verschiedenen elektrischen Widerstandselemente eine gemeinsame Zuleitung in Form der ersten elastischen Leitung auf. Dadurch ist es möglich, die elektrische Signalgewinnung mit einem Minimum an elastischen Leitungen zu ermöglichen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass die polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i über einen gemeinsamen elektrischen Mittelanschluss an die erste elastische elektrische Leitung angeschlossen sind. Vorteilhaft können alle elektrischen Widerstandselemente R_i über den gemeinsamen Mittelanschluss gleichermaßen elektrisch kontaktiert werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass die polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i über den gemeinsamen elektrischen Mittelanschluss durch einen Durchbruch der nicht leitenden ersten Trennschicht hindurch an die erste elastische elektrische Leitung mechanisch und elektrisch angeschlossen sind. Vorteilhaft kann die Kontaktierung durch den Durchbruch der nicht leitenden ersten Trennschicht hindurch erfolgen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass sich die polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i von dem Mittelanschluss ausgehend zu einer Vielzahl i von, insbesondere radial, außerhalb des Mittelanschlusses liegenden Satellitenanschlüssen S_i erstrecken und über den jeweiligen Satellitenanschluss S_i an die jeweilige zweite elastische elektrische Leitung L_i angeschlossen sind. Vorteilhaft weisen die Widerstandselemente R_i ausgehend von dem Mittelanschluss in Richtung der Satellitenanschlüsse S_i unterschiedliche Raumrichtungen auf, wobei vorteilhaft in unterschiedlichen Richtungen ausgeübte mechanische Stimuli aufgelöst werden können. Dabei ist es denkbar, dass sich die Vielzahl der elektrischen Widerstandselemente R_i von dem Mittelanschluss ausgehend radial in Richtung der Satellitenanschlüsse S_i erstrecken. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass sich die elektrischen Widerstandselemente R_i ausgehend von dem Mittelanschluss schräg zu einem Radius zwischen dem Mittelanschluss und dem entsprechenden Satellitenanschluss erstrecken, wobei dazu der Mittelanschluss eine flächige Ausdehnung aufweisen kann.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass der taktile Sensor eine nebeneinander verlaufende Vielzahl n mit n = 1, 2, ... der Vielzahl k von nebeneinander verlaufenden ersten elastischen elektrischen Leitungen L_nk und eine nebeneinander verlaufende Vielzahl m mit m = 1, 2, ... der Vielzahl i von nebeneinander verlaufenden zweiten elastischen elektrischen Leitungen L_mi aufweist, wobei jeweils an einem Kreuzungsbereich mit der jeweiligen Vielzahl k der ersten elastischen elektrischen Leitungen L_nk mit der jeweiligen Vielzahl i der zweiten elastischen elektrischen Leitungen L_mi ein taktil sensitives Taxel T_mn mit einer Vielzahl i der polymerbasierten elastisch dehnbaren Widerstandselemente R_i gebildet ist. Vorteilhaft können in einer flächigen Ausdehnung mehrere Taxel T_mn nebeneinander angeordnet werden, so dass sich ein taktil sensitives Feld ergibt. Vorteilhaft können mehrere Taxel in zwei Dimensionen nebeneinander angeordnet werden. Dabei ist es möglich, dass in einer Richtung nebeneinander angeordnete Taxel in dieser Richtung verlaufende elastische elektrische Leitungen gemeinsam nutzen. Eine Gesamtanzahl der elastischen elektrischen Leitungen skaliert also nicht linear mit der Taxelanzahl sondern ist von den Indize m und n abhängig.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass die Berühroberfläche oder die zweite nicht leitende Trennschicht pro Taxel T_mn eine Oberflächenstrukturierung aufweist. Vorteilhaft kann mittels der Oberflächenstrukturierung pro Taxel T_mn eine Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen mechanischen Stimuli eingestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, mittels der Strukturierung eine Gleit- und/oder Scherkraft aufzunehmen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Sensors ist vorgesehen, dass die Berühroberfläche eine Mikrostrukturierung aufweist, mittels der zwischen einem über die Berühroberfläche gleitenden Gegenstand und der Berühroberfläche ein Klebe-Gleit-Effekt erzielbar ist. Vorteilhaft ist es mittels der Mikrostrukturierung möglich, aufgrund des Klebe-/Gleiteffekts auch kleinste Gleitbewegungen entlang der Berühroberfläche zu sensieren.
Die Aufgabe ist außerdem bei einem Objekt mit einem vorab beschriebenen Sensor gelöst. Bei dem Objekt kann es sich beispielsweise um eine Robotervorrichtung, einen Teil einer Robotervorrichtung, ein technisches Gerät, ein zu greifendes Objekt und/oder Ähnliches handeln. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines taktilen Sensors mit einer Vielzahl i elastisch dehnbarer elektrischer Widerstandselemente R_i;
2 ein weiteres elektrisches Schaltbild eines taktilen Sensors mit insgesamt 4 dehnbaren elektrischen Widerstandselementen;
3 eine schematisierte Draufsicht auf den mittels des elektrischen Schaltbildes der 2 symbolisierten taktilen Sensor; und
4 einen Querschnitt des in 3 schematisch gezeigten taktilen Sensors entlang einer elektrischen Leitung L_n.
1 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines taktilen Sensors 1 mit einer Vielzahl i von elektrischen Widerstandselementen R_i mit 1 = 1, 2, .... Die Widerstandselemente R_i sind elastisch dehnbar und polymerbasiert, weisen insbesondere ein Polymer auf. Sämtliche elektrischen Widerstandselemente R_i sind über eine erste elastische elektrische Leitung 3 auf ein gemeinsames Potenzial geschaltet. Die erste elastische Leitung 3 ist in 1 zusätzlich mit dem Bezugszeichen L_n bezeichnet. Zusätzlich ist jedem elektrischen Widerstandselement R_i eine separate zweite elastische elektrische Leitung 5 elektrisch zugeordnet. Diese sind in 1 zusätzlich mit L_mi bezeichnet. Die elastischen elektrischen Leitungen 3 und 5 sind elastisch dehnbar, weisen jedoch im Vergleich zu dem elektrischen Widerstandselement eine nahezu dehnungsunveränderliche oder zumindest weniger dehnungsabhängig veränderliche elektrische Leitfähigkeit auf als das jeweils zugeordnete elastisch dehnbare elektrische Widerstandselement. Vorteilhaft kann daher hingenommen werden, dass mittels eines mechanischen Stimulus sowohl das elektrische Widerstandselement als auch die elastischen Leitungen 3 und 5 gedehnt werden, wobei für eine Signalgewinnung vorteilhaft lediglich die aufgrund der Dehnung eingetretene veränderte elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen elektrischen Widerstandselements R_i deutlich überwiegt und daher gemessen beziehungsweise in ein entsprechendes Messsignal umgewandelt werden kann.
2 zeigt einen taktilen Sensor 1 analog des in 1 gezeigten taktilen Sensors 1. Im Unterschied sind sternförmig, ausgehend von einem Mittelanschluss 7 insgesamt vier der elektrischen Widerstandselemente R₁, R₂, R₃, R₄ vorgesehen. Diese sind über den Mittelanschluss 7 elektrisch kontaktiert, wobei der Mittelanschluss 7 an die erste elastische elektrische Leitung 3 L_n elektrisch angeschlossen ist. Außerdem ist jedes der elektrischen Widerstandselemente R₁ bis R₄ an die entsprechende zweite elektrische Leitung L_m1 bis L_m4 angeschlossen. Der jeweilige elektrische Kontakt zwischen dem jeweiligen elektrischen Widerstandselement wird über Satellitenanschlüsse S₁ bis S₄ hergestellt. Alternativ und/oder zusätzlich können mehrere der Mittelanschlüsse 7 und dementsprechend daran angeschlossen eine Vielzahl k der ersten elastischen elektrischen Leitungen 3 L_nk vorgesehen sein, wobei jedes der elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R₁, R₂, R₃, R₄ zwischen eine der zweiten elastischen Leitungen 5 L_m1 bis L_m4 und eine der ersten elastischen Leitungen 3 L_nk geschaltet ist. Für k = 2 wären beispielsweise jeweils zwei oder eines und drei der Widerstandselemente R₁, R₂, R₃, R₄ über den jeweiligen Mittelanschluss 7 jeweils einer der ersten elastischen Leitungen 3 L_n1, L_n2 zugeordnet. Außerdem können mehrere der in 2 dargestellten Taxel T_mn, in Ausrichtung der 2 gesehen, nebeneinander, Index m, und übereinander, Index n, angeordnet werden. Dabei teilen sich alle übereinander angeordneten Taxel T_mn eine Vielzahl i von zweiten elektrischen Leitung L_mi, gemäß 3 mit i = 4 vier Leitungen, und alle nebeneinander liegenden Taxel T_mn eine Vielzahl k von ersten elektrischen Leitung L_nk, gemäß 3 mit k = 1 genau eine Leitung.
3 zeigt eine schematische Aufsicht des in 2 gezeigten taktilen Sensors 1. Es ist zu erkennen, dass die Widerstandselemente und die elastischen elektrischen Leitungen 3, 5 in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. In Ausrichtung der 4 gesehen von oben nach unten, sind die Widerstandselement R_i in einer Widerstandsebene 11, die zweiten elastischen elektrischen Leitungen L_m1–L_m4 in einer zweiten Leiterbahnebene 13 und die erste elastische elektrische Leitung 3 L_n in einer ersten Leiterbahnebene 15 angeordnet.
Vorteilhaft werden durch diese räumliche Anordnung die elastischen Leitungen 3 und 5 sowie die Anschlussleiter 25 mechanisch weniger belastet als die Widerstandselemente R_i, wobei vorteilhaft weniger Störeffekte beim Erfassen der mechanischen Stimuli aufgrund von Verformungen der elastischen Leitungen 3 und 5 sowie der Anschlussleiter 25 auftreten. Vorteilhaft werden dadurch eventuelle Störeffekte zusätzlich zu dem positiven Effekt der nahezu dehnungsunveränderlichen oder zumindest weniger dehnungsabhängig veränderlichen elektrischen Leitfähigkeit der elastischen Leitungen 3 und 5 sowie der Anschlussleiter 25 verringert.
Vorteilhaft dient die erste Trennschicht 17 als elektrischer Isolator. Der Mittelanschluss 7 erstreckt sich von der Widerstandsebene 11 durch die zweite Leiterbahnebene 13 hindurch bis zur ersten Leiterbahnebene 15 und dient zum Kontaktieren der ersten elastischen elektrischen Leitung 3 L_n mit den Widerstandselementen R₁–R₄. Dazu ist der Mittelanschluss 7 elektrisch leitfähig ausgelegt. Die Satellitenanschlüsse 9 S₁–S₄ erstrecken sich von der Widerstandselement 11 hinunter zu der zweiten Leiterbahnebene 13 und kontaktieren das jeweilige Widerstandselement R_i mit der jeweiligen zweiten elastischen elektrischen Leitung 5 L_mi.
Es ist ersichtlich, dass vorteilhaft Dehnungen der elektrischen Widerstandselemente R₁–R₄ in unterschiedliche elektrische Signale, die an den zweiten elastischen elektrischen Leitungen 5 L_m1–L_m4 abgreifbar sind, umgesetzt werden können. Hierzu kann eine Hilfsenergiequelle, die beispielsweise eine Versorgungsspannung liefert, verwendet werden. Vorteilhaft erstrecken sich die elektrischen Widerstandselemente radial von dem Mittelanschluss 7 zu dem jeweiligen Satellitenanschluss 9 S₁ bis S₄.
4 zeigt eine Schnittansicht des in 3 lediglich schematisch gezeigten taktilen Sensors 1, wobei eine Schnittebene durch die erste elektrische Leitung 3 L_n und senkrecht zur Bildebene der 3 verläuft. Es ist zu erkennen, dass zwischen der ersten elastischen elektrischen Leitung 3 und den zweiten elastischen elektrischen Leitungen 5 eine erste Trennschicht 17 angeordnet ist. Außerdem ist zwischen einer Berühroberfläche 19 des taktilen Sensors 1 und den Widerstandselementen R_i eine zweite Trennschicht 21 angeordnet. Die zweite Trennschicht 21 dient zum elektrischen Isolieren und Schützen der Widerstandselemente R_i. Die erste Trennschicht 17 und/oder die zweite Trennschicht 21 können elastische Eigenschaften aufweisen, wobei vorteilhaft ein mechanischer Stimulus, der auf die Berühroberfläche 19 ausgeübt wird, in eine elastische Dehnung der zweiten Trennschicht 21 und damit auch in eine elastische Dehnung des entsprechenden direkt darunter angeordneten und/oder in die zweite Trennschicht 21 eingebrachten elektrischen Widerstandselements R_i führt. Die Widerstandselemente R_i sind in die zweite Trennschicht 21 eingebracht und/oder auf die zweite Trennschicht 21 aufgebracht, beispielsweise mit dieser verklebt, vulkanisiert und/oder auf diese aufgedruckt.
Die erste Trennschicht 17 trennt die elektrischen Leitungen 3 und 5 voneinander ab beziehungsweise isoliert diese elektrisch voneinander. Dazu sind die elektrischen Leitungen 3 und 5 auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Trennschicht 17 ein- oder angebracht, beispielsweise mit dieser verklebt, gebondet, vulkanisiert, aufgedruckt und/oder Ähnliches.
Zum elektrischen Kontaktieren des Mittelanschlusses 7 mit der ersten elektrischen Leitung 3 weist die erste Trennschicht 17 einen Durchbruch 23 auf, durch den der Mittelanschluss 7 hindurchragt. Durch den Durchbruch 23 hindurch ist die erste Leitung 3 an den Mittelanschluss 7 angeschlossen. In der Widerstandsebene 11 sind die elektrischen Widerstandselemente R_i dem Mittelanschluss 7 elektrisch und mechanisch zugeordnet. Ferner ist zu erkennen, dass die elektrischen Widerstandselemente R_i ebenfalls in der Widerstandsebene 11 mit dem jeweils zugeordneten Satellitenanschluss mechanisch und elektrisch verbunden sind. In der zweiten Leiterbahnebene 13 sind die Satellitenanschlüsse 9 jeweils mit einer der zweiten elektrischen Leitungen 5 elektrisch verbunden. Dazu führt von der jeweiligen zweiten elektrischen Leitung 5 in der Leiterbahnebene 13 jeweils ein Anschlussleiter 25 zu dem jeweiligen Satellitenanschluss 9. Die Anschlussleiter 25 sind jeweils dem jeweiligen Satellitenanschluss 9 und der jeweiligen zweiten elektrischen Leitung 5 elektrisch zugeordnet. Die Anschlussleiter 25 können analog den zweiten elektrischen Leitungen 5 auf die erste Trennschicht 17 aufgebracht sein.
Der in 4 dargestellte Sensor 1 ist Teil eines mittels des Bezugszeichens 39 lediglich angedeuteten Objekts. Bei dem Objekt 39 kann es sich beispielsweise um eine Robotervorrichtung, einen Teil einer Robotervorrichtung, ein technisches Gerät, ein zu greifendes Objekt und/oder Ähnliches handeln. Vorteilhaft weist das Objekt 39 die Möglichkeit auf mittels des Sensors 1 einen mechanischen Stimulus zu detektieren und gegebenenfalls darauf zu reagieren.
Der in den 1–4 dargestellte taktile Sensor 1 kann in einer mn-Matrix angeordnet werden. Dazu kann jeweils eine Vielzahl der ersten elektrischen Leitungen 3 L_n nebeneinander angeordnet werden, beispielsweise parallel. Außerdem kann die Vielzahl i der ersten elektrischen Leitungen 3 L_n mehrfach nebeneinander angeordnet werden, so dass sich die mn-Matrix aus der Vielzahl der taktilen Sensoren 1 ergibt. Vorteilhaft kann jeder einzelne der taktilen Sensoren der mn-Matrix elektrisch angeschlossen beziehungsweise mittels der elektrischen Anschlüsse elektrisch ausgewertet werden.
Wie in 4 zu erkennen, weist die Berühroberfläche 19 oberhalb des Mittelanschlusses 7 eine Strukturierung 27, insbesondere in Form einer Halbkugel, auf. Vorteilhaft kann mittels der Strukturierung 27 eine Gleitbewegung über die Berühroberfläche 19 in eine elastische Verformung der darunter liegenden elektrischen Widerstandselemente R_i umgesetzt werden. Eine entsprechende Krafteinleitung ist in 4 mittels eines ersten Pfeils 29 symbolisiert. Es ist zu erkennen, dass dadurch die elektrischen Widerstandselemente R_i teilweise gestaucht und teilweise gedehnt werden, wobei vorteilhaft durch die radiale Anordnung der Widerstandselemente R_i durch eine entsprechende elektrische Ableitung beziehungsweise Auswertung der an den zweiten elektrischen Leitungen L_mi anliegenden Widerstände auf die Richtung der mittels des ersten Pfeils 29 einwirkenden Kraft geschlossen werden kann. Vorteilhaft kann dadurch auf eine Richtung eines Überstreichens der Berühroberfläche 19 geschlossen werden. Neben der mittels des ersten Pfeils 29 angedeuteten Scherkräfte können auch Normalkräfte, die beispielsweise in 4 mittels eines zweiten Pfeils 31 angedeutet sind, in elastische Dehnungen der elektrischen Widerstandselemente umgesetzt werden. Eine senkrecht auf die Strukturierung 27 einwirkende Kraft, wie sie mittels des zweiten Pfeils 31 angedeutet ist, führt zu einer gleichmäßigen elastischen Dehnung aller dem unter dem Mittelanschluss 7 angeordneten elektrischen Widerstandselemente R_i. Vorteilhaft kann dadurch auf das Einwirken einer Normalkraft, wie sie mittels des zweiten Pfeils 31 in 4 angedeutet ist, geschlossen werden. Durch eine entsprechende Auswertung beziehungsweise Überlagerung der entsprechend ableitbaren elektrischen Signale können auch zwischen den Richtungen des ersten Pfeils 29 und des zweiten Pfeils 31 einwirkende Kraftrichtungen detektiert werden. Vorteilhaft kann zusätzlich aufgrund der Stärke der entsprechenden Änderung der Leitfähigkeit der Widerstandselemente auf eine Stärke der einwirkenden Kräfte geschlossen werden. Dieses Prinzip ist auch in einer Anmeldung derselben Anmelderin mit den internen Aktenzeichen DLR 57255 DE bekannt. Auf diese Druckschrift, insbesondere auf die Beschreibung, die Figuren sowie die Ansprüche wird hiermit Referenz genommen, wobei deren Inhalt zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Vorteilhaft weist der taktile Sensor 1 einen mehrschichtigen Aufbau mit der ersten Trennschicht 17 und der zweiten Trennschicht 21 auf, wobei zwischen den Trennschichten 17 und 21 ein Freiraum 33, insbesondere ein Luftraum, verbleibt. Vorteilhaft kann der Freiraum 33 beliebig moderiert werden, beispielsweise zur Veränderung einer Empfindlichkeit des taktilen Sensors 1 mit einem gegenüber einem Umgebungsdruck geringeren zum Erhöhen der Empfindlichkeit oder höheren Druck zum Reduzieren der Empfindlichkeit beaufschlagt werden. Ferner kann der Freiraum 33 alternativ und/oder zusätzlich mit einem beliebigen Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, insbesondere ein Gel, gefüllt werden, insbesondere mit einer vergleichsweise hohen Viskosität. Dadurch kann ein Rückstellverhalten beeinflusst werden, beispielsweise um eine Ableitung der Stimuli zu verbessern beziehungsweise nachwirken zu lassen. Allgemein kann eine Übertragungsfunktion des taktilen Sensors abhängig von einer Befüllung des Freiraums 33 mit dem Fluid verändert und/oder eingestellt werden. Vorteilhaft kann dies auch während eines Betriebs des Sensors erfolgen. Der Freiraum 33 kann zum Aufnehmen des Fluids fluiddicht gestaltet sein und/oder Ein- und Auslässe aufweisen. Die Trennschichten 17 und 21 sind mittels Abstandshaltern, die vorliegend von den Satellitenanschlüssen 9 und den Mittenanschlüssen 7 gebildet werden, voneinander getrennt. Die Abstandshalter sind vorliegend elektrisch leitend ausgeführt. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, zum Beabstanden der Trennschichten 17 und 21 weitere Abstandshalter vorzusehen, insbesondere nicht leitende Abstandshalter. Beabstandete Sandwich-Folien, insbesondere mit leitenden und/oder nicht leitenden Abstandshaltern sind von weiteren Anmeldungen derselben Anmelderin mit den internen Aktenzeichen DLR 57173 DE, DLR 57192 DE bekannt. Auf diese Druckschriften, insbesondere auf die Beschreibungen, die Figuren sowie die Ansprüche wird hiermit Referenz genommen, wobei deren Inhalt zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar zum Voreinstellen der Übertragungsfunktion des Sensors 1 die Widerstandselemente R_i gekrümmt auszuführen. Dadurch kann beispielsweise ein stark nichtlineares Ansprechverhalten voreingestellt werden.
Das elektrische Widerstandselement weist insbesondere eine dehnungssensitive polymerbasierte Leiterbahn auf, um die mittels des mechanischen Stimulus eingebrachte mechanische Dehnung der Sandwich-Folie, insbesondere der zweiten Trennschicht 21, durch die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der dehnungssensitiven polymerbasierten Leiterbahn zu erfassen. Die elektrischen Widerstandselemente können als sogenannte polymerbasierte piezoresistive Dehnmessstreifen ausgeführt sein. Die Leiterbahn kann dazu beispielsweise ein mit leitfähigen Partikeln dotiertes Polymer und/oder eine inhärent elektrisch leitfähiges Polymer aufweisen.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, die elektrischen Widerstandselemente R_i und/oder die elektrischen Leitungen 3, 5 innerhalb der Trennschichten 17 und/oder 21 auszuführen. Vorteilhaft können aufgrund der strahlenförmigen Anordnung der elektrischen Widerstandselemente R_i richtungssensitive sensible Elemente zur Erfassung der Dehnung in mehreren Freiheitsgraden ermöglicht werden.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, die elektrischen Widerstandselemente schräg zu einem Radius, ausgehend von dem Mittelanschluss 7 anzuordnen, wobei vorteilhaft Rotationen des Mittelanschlusses detektierbar sind. Vorteilhaft kann dazu die Strukturierung 27 so ausgelegt sein, dass bestimmte Berührungen und/oder mechanische Stimuli ein Drehmoment in die zweite Trennschicht 21 und/oder Mittelanschluss 7 einleiten. Außerdem wird diesbezüglich wird auf die DLR 57255 DE Bezug genommen.
Vorteilhaft können die in den 1–4 dargestellten taktilen Sensoren in einer flächigen mn-Matrix nebeneinander angeordnet werden. Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, diese in einer räumlichen Matrixstruktur zueinander anzuordnen. Vorteilhaft weisen die elektrischen Leitungen 3 und/oder 5 kein oder nur ein gering ausgeprägtes piezoresistives Verhalten auf.
Vorteilhaft weisen hierdurch die durch die elektrischen Leitungen 3 und 5 gebildeten Zuleitungen keine oder nur eine geringe Änderung ihrer elektrischen Leitfähigkeit auf, wenn sie mechanisch verformt werden. Vorteilhaft können dadurch sensible Bereiche räumlich voneinander abgegrenzt werden, wobei sogenannte diskrete Taxel entstehen, wobei jedes Taxel einen der taktilen Sensoren 1 aufweist.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es möglich, zumindest eine der elektrischen Leitungen 3 und/oder 5 zumindest bereichsweise ebenfalls mit einer dehnungsabhängig veränderlichen elektrischen Leitfähigkeit auszustatten. Dadurch können vorteilhaft sich überlappende rezeptive Felder geschaffen werden, wodurch eine zusätzliche Sensibilität ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist eine Kaskadierung eines mehrere der taktilen Sensoren 1 aufweisenden Gesamtsensors durch einen mehrschichtigen Aufbau aus mehreren Sensorfolien möglich, wobei unterschiedliche Größenverhältnisse gewählt werden können. Die Größenverhältnisse, insbesondere einzelner Sandwichfolien, ergeben sich aus den durch Referenz zum Inhalt dieser Anmeldung gemachten Dokumenten.
Eine entsprechend des ersten Pfeils 29 auf die Strukturierung 27 einwirkende Kraft kann beispielsweise zu einer Verkippung des Mittelanschlusses 7 und damit zu einer lokalen Dehnung der entsprechenden Widerstandselemente R_i führen.
In 3 ist beispielhaft eine Scherkraft, angedeutet mittels eines ersten Pfeils 29, eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass dadurch die elektrischen Widerstandselemente R₂ und R₃ gedehnt werden, so dass in den zweiten elastischen elektrischen Leitungen L_m2 und L_m3 eine entsprechende Widerstandserhöhung messbar ist. Die Dehnung ist mittels Doppelpfeilen 35 symbolisiert. Die gegenüberliegend der elektrischen Widerstandselemente R₂ und R₃ angeordneten elektrischen Widerstandselemente R₁ und R₄ werden gestaucht, was mittels Pfeilen 37 in 3 symbolisiert ist. Dementsprechend kann auf den zweiten Leitungen L_m1 sowie L_m4 eine zumindest geringe Zunahme der Leitfähigkeit ermittelt werden.
Verallgemeinert kann durch eine Auswertung an den zweiten elektrischen Leitungen 5 L_m1 bis L_m4, also entsprechend der Widerstandsänderungen der entsprechend angeschlossenen elektrischen Widerstandselemente R₁–R₄ auf eine Raumrichtung eines einwirkenden externen Stimulus auf den taktilen Sensor 1 geschlossen werden.
Alternativ und/oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Berühroberfläche (19) elektrisch leitfähig ist und/oder eine nicht näher dargestellte elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist.
Bezugszeichenliste

1: taktiler Sensor
3: erste elastische elektrische Leitung
5: zweite elastische elektrische Leitung
7: Mittelanschluss
9: Satellitenanschlüsse
11: Widerstandsebene
13: zweite Leiterbahnebene
15: erste Leiterbahnebene
17: erste Trennschicht
19: Berühroberfläche
21: zweite Trennschicht
23: Durchbruch
25: Anschlussleiter
27: Strukturierung
29: erster Pfeil
31: zweiter Pfeil
33: Freiraum
35: Doppelpfeil
37: Pfeile
39: Objekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10200720131 A1 [0002]

Claims

Taktiler Sensor (1) mit zumindest einem polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselement, das eine dehnungsabhängige veränderliche Leitfähigkeit aufweist und mittels dem ein mechanischer Stimulus in eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit umsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elektrische Widerstandselement zwischen eine erste polymerbasierte elastische elektrische Leitung (3) und eine zweite polymerbasierte elastische elektrische Leitung (5) geschaltet ist, wobei eine Leitfähigkeit der Leitungen (3, 5) nahezu dehnungsunveränderlich oder zumindest weniger dehnungsabhängig veränderlich als die Leitfähigkeit des zumindest einen elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselements ist.
Taktiler Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste polymerbasierte elastische elektrische Leitung (3) in einer ersten Leiterbahnebene (15) und die zweite elastische elektrische Leitung (5) in einer zweiten Leiterbahnebene (13) berührungsfrei zueinander angeordnet sind.
Taktiler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine polymerbasierte elastisch dehnbare elektrische Widerstandselement zumindest eine Eigenschaft der folgenden Gruppe aufweist: – in einer Widerstandsebene (11) angeordnet ist, – gekrümmt ist.
Taktiler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein Element der Gruppe: – dass zwischen der ersten polymerbasierten elastischen elektrischen Leitung (3) und der zweiten polymerbasierten elastischen elektrischen Leitung (5) eine nicht leitende erste Trennschicht (17) angeordnet ist, – dass zwischen einer Berühroberfläche (19) des taktilen Sensors (1) und dem zumindest einen polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselement eine nicht leitende zweite Trennschicht (21) angeordnet ist, – dass die Trennschichten (17, 21) oder zumindest eine der Trennschichten (17, 21) elastische Eigenschaften aufweisen/aufweist, – dass zwischen den Trennschichten (17, 21) ein Freiraum (33) verbleibt, – dass der Freiraum (33) mit einem Fluid gefüllt und/oder befüllbar ist, – dass der Freiraum (33) mit einem Druck beaufschlagt und/oder beaufschlagbar ist, – dass die Berühroberfläche (19) elektrisch leitfähig ist, – dass die Berühroberfläche (19) eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist.
Taktiler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Sensor (1) eine Vielzahl i elastisch dehnbarer elektrischer Widerstandselemente Ri und eine Vielzahl i von zweiten elastischen elektrischen Leitungen (5) Li aufweist, mit i = 1, 2, ..., wobei jedes der polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i zwischen eine der zweiten polymerbasierten elastischen elektrischen Leitungen (5) L_i und die erste polymerbasierte elastische elektrische Leitung (3) geschaltet ist, oder dass der taktile Sensor (1) eine Vielzahl i polymerbasierter elastisch dehnbarer elektrischer Widerstandselemente R_i und eine Vielzahl i von zweiten polymerbasierten elastischen Leitungen (5) L_i sowie eine Vielzahl k von ersten polymerbasierten elektrischen Leitungen (3) aufweist, mit i = 1, 2, ..., mit k = 1, 2, ..., wobei jedes der polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i zwischen eine der zweiten polymerbasierten elastischen Leitungen (5) L_i und eine der ersten polymerbasierten elastischen Leitungen (3) geschaltet ist.
Taktiler Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i über einen gemeinsamen elektrischen Mittelanschluss (7) an die erste polymerbasierte elastische elektrische Leitung (3) angeschlossen sind.
Taktiler Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest ein Element der Gruppe: – dass die polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i über den gemeinsamen elektrischen Mittelanschluss (7) durch einen Durchbruch (23) der nicht leitenden ersten Trennschicht (17) hindurch an die erste polymerbasierte elastische elektrische Leitung (3) mechanisch und elektrisch angeschlossen sind, – dass sich die polymerbasierten elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i von dem Mittelanschluss (7) ausgehend zu einer Vielzahl i von außerhalb des Mittelanschlusses (7) liegenden Satellitenanschlüssen (9) S_i erstrecken und über den jeweiligen Satellitenanschluss (9) S_i an die jeweilige zweite polymerbasierte elastische elektrische Leitung (5) L_i angeschlossen sind.
Taktiler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Sensor (1) eine nebeneinander verlaufende Vielzahl n mit n = 1, 2, ... der Vielzahl k von nebeneinander verlaufenden ersten polymerbasierten elastischen elektrischen Leitungen (3) L_nk und eine nebeneinander verlaufende Vielzahl m mit m = 1, 2, ... der Vielzahl i von nebeneinander verlaufenden zweiten polymerbasierten elastischen elektrischen Leitungen (5) L_mi aufweist, wobei jeweils an einem Kreuzungsbereich mit der jeweiligen Vielzahl k der ersten polymerbasierten elastischen elektrischen Leitungen (3) L_nk mit der jeweiligen Vielzahl i der zweiten polymerbasierten elastischen elektrischen Leitungen (5) L_mi ein taktil sensitives Taxel T_mn mit einer Vielzahl i der elastisch dehnbaren elektrischen Widerstandselemente R_i gebildet ist.
Taktiler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch zumindest ein Element der Gruppe: – dass die Berühroberfläche (19) oder die zweite nicht leitende Trennschicht (21) pro Taxel T_mn eine Oberflächenstrukturierung (27) aufweist. – dass die Berühroberfläche (19) eine Mikrostrukturierung (27) aufweist, mittels der zwischen einem über die Berühroberfläche (19) gleitenden Gegenstand und der Berühroberfläche (19) ein Klebe-Gleit-Effekt erzielbar ist.
Objekt mit einem taktilen Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.