DE10252862B3

DE10252862B3 - Force measuring device using multi-layer sensor elements, e.g. for tactile skin for robot gripper, direct pressure measurement or orthopaedic diagnosis system

Info

Publication number: DE10252862B3
Application number: DE2002152862
Authority: DE
Inventors: Robin Dipl.-Ing. Gruber
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-11-13

Abstract

Device detects force with at least one degree of freedom via sensor element having sensor foil with thin material layers (1-3), knob (4) and transmission and reception coils (11,12), each of at least one winding. Coils are supported by upper and lower surfaces of lowermost material layer, provided by non-elastic foil, overlaid by elastic foil and conductive or ferromagnetic material layer of lesser diameter than coils, knob has same diameter as conductive or ferromagnetic material layer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen einer Kraft mittels eines mehrlagigen taktilen Aufbaus.The invention relates to a device for measuring a force using a multi-layer tactile structure.

Ein Prototyp eines mehrlagigen taktilen Sensors weist eine dünne PVDF(Polyvinyliden-Fluorid)-Folie auf, auf der eine dünne Gummischicht mit einer Noppenstruktur vorgesehen ist. Die beiden sensitiven Schichten sind durch eine weiche Schaumschicht voneinander getrennt, die ein Verbiegen der Noppen in eine lokale Dehnung der PVDF-Folie transformiert. Bei diesem Prototyp handelt es sich um einen kapazitiven Multikontaktsensor mit einem Freiheitsgrad (DOF) (Siehe J.Walter und H.Ritter, The Neuroinformatics Robot Laboratory, Technical Report SFB 360-TR-96-4, 5.25 bis 31, 26. September 1996).A prototype of a multi-layer tactile Sensor has a thin PVDF (polyvinylidene fluoride) film on which a thin rubber layer is provided with a knob structure. The two sensitive layers are separated from each other by a soft foam layer, the one Bending the nubs transformed into a local stretch of the PVDF film. This prototype is a capacitive multi-contact sensor with a degree of freedom (DOF) (See J.Walter and H.Ritter, The Neuroinformatics Robot Laboratory, Technical Report SFB 360-TR-96-4, 5.25 to 31, September 26, 1996).

In DE 44 20 691 C1 sind zur Verbesserung der Genauigkeit eines Wägesignals eine Kraftmesszelle mit einem elastisch verformbaren Kraftaufnehmer zur Aufnahme der Gewichtskraft und eine induktive Sensoranordnung zum Erfassen der Kraftaufnehmer-Verformung sowie deren Umwandlung in ein elektrisches Wägesignal vorgeschlagen. Hierbei weist die Sensoranordnung mindestens ein induktives Sensorelement auf, welches benachbart zum Krafteinleitungsteil des Kraftaufnehmers gegenüber einem signalgebenden Teil so angeordnet ist, dass sich bei Belastung des Krafteinleitungsteils mit einer Kraft eine von dieser Kraft abhängige Änderung des Abstands zwischen dem Sensorelement und dem signalgebenden Teil aufgrund der elastischen Verformung des Kraftaufnehmers ergibt. Hierbei wird von der Sensoranordnung eine Änderung der effektiven Permeabilität des Sensorelements und eine dadurch bewirkte Änderung der Impedanz in einer Sensorelement-Spule zur Erfassung der Kraftaufnehmer-Verformung genutzt.In DE 44 20 691 C1 To improve the accuracy of a weighing signal, a force measuring cell with an elastically deformable force transducer for receiving the weight force and an inductive sensor arrangement for detecting the force transducer deformation and its conversion into an electrical weighing signal are proposed. Here, the sensor arrangement has at least one inductive sensor element, which is arranged adjacent to the force introduction part of the force transducer relative to a signal-generating part so that when the force introduction part is loaded with a force, a change in the distance between the sensor element and the signal-generating part that is dependent on this force occurs due to the elastic deformation of the force transducer results. In this case, the sensor arrangement uses a change in the effective permeability of the sensor element and a change in the impedance in a sensor element coil thereby caused to detect the deformation of the force transducer.

In DE 195 23 482 A1 weist eine im Stauraum eines Fahrzeugs untergebrachte Vorrichtung einen ersten und einen zweiten e lektrischen Leiter auf, wobei der zweite Leiter neben und im wesentlichen parallel zu dem ersten Leiter so angeordnet ist, dass bei dem zweiten Leiter im wesentlichen ein Durchbiegen verhindert ist. Ferner ist zwischen Abschnitten der beiden Leiter ein im wesentlichen nicht leitfähiges Material vorgesehen, durch welches die beiden Leiter in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten sind und der erste elektrische Leiter auf den zweiten elektrischen Leiter zu entsprechend dem Gewicht eines im Stauraum festgestellten störenden Gegenstandes flexibel ist. Hierbei ist der erste Leiter auf einer ersten flexiblen Folie und der zweite Leiter auf einer zweiten Folie angebracht. Die Folien, die Leiter und die im wesentlichen nicht leitfähige Schicht bilden hierbei einen Sensor.In DE 195 23 482 A1 A device accommodated in the storage space of a vehicle has a first and a second electrical conductor, the second conductor being arranged next to and essentially parallel to the first conductor in such a way that bending of the second conductor is substantially prevented. Furthermore, an essentially non-conductive material is provided between sections of the two conductors, by means of which the two conductors are held at a certain distance from one another and the first electrical conductor is flexible to the second electrical conductor in accordance with the weight of a disturbing object found in the storage space. Here, the first conductor is attached to a first flexible film and the second conductor to a second film. The foils, the conductors and the essentially non-conductive layer form a sensor.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kaskadierbare Messeinrichtung zum Messen von Kräften mit bis zu drei Freiheitsgraden (DOF) anzugeben. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung zum Messen einer Kraft mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.The object of the invention is a Cascadable measuring device for measuring forces with up to three degrees of freedom (DOF). According to the invention is this task with a device for measuring a force with solved the features of claim 1. Advantageous further developments are Subject of the claims 2 to 7.

Gemäß der Erfindung weist zum Messen mindestens eines Freiheitsgrades einer Kraft mindestens ein Sensorelement oder jedes Sensorelement einer Anordnung von Sensorelementen eine aus drei dünnen Materiallagen (1 bis 3) gebildete Sensorfolie, eine Noppe (4) und zwei Spulen, nämlich eine Sendespule (11) und eine Empfangsspule (12), mit jeweils mindestens einer Windung auf, wobei eine der beiden Spulen (11, 12) auf der Oberseite und die andere auf der Unterseite der untersten Materiallage (1) aufgebracht ist.According to the invention, for measuring at least one degree of freedom of a force, at least one sensor element or each sensor element of an arrangement of sensor elements has one of three thin layers of material ( 1 to 3 ) formed sensor film, a knob ( 4 ) and two coils, namely a transmitter coil ( 11 ) and a receiving coil ( 12 ), each with at least one turn, one of the two coils ( 11 . 12 ) on the top and the other on the bottom of the lowest layer of material ( 1 ) is applied.

Hierbei hat die dreilagige Sensorfolie als unterste Materiallage eine dünne, biegsame und nicht elastische Folie (1), un mittelbar darüber als zweite Materiallage eine biegsame und elastische Schicht (2), und auf dieser als dritte Materiallage eine etwa zentrisch nur über den auf der Unter- und Oberseite der biegsamen Folie (1) aufgebrachten Spulen (11, 12) vorgesehene dünne Schicht (3) aus leitfähigem oder ferromagnetischem Material, deren Durchmesser etwas kleiner ist als derjenige der Spulen (11, 12); die Noppe (4) ist in ihrer Abmessung der dritten Materiallage (3) der Sensorfolie entsprechend angepasst.The three-layer sensor film has a thin, flexible and non-elastic film as the lowest layer of material ( 1 ), immediately above it as a second layer of material, a flexible and elastic layer ( 2 ), and on this as a third layer of material, an approximately centric one only over that on the underside and top of the flexible film ( 1 ) applied coils ( 11 . 12 ) provided thin layer ( 3 ) made of conductive or ferromagnetic material, the diameter of which is slightly smaller than that of the coils ( 11 . 12 ); the pimple ( 4 ) is the dimension of the third layer of material ( 3 ) adapted to the sensor film accordingly.

In Weiterentwicklung der Erfindung ist zum Messen von zwei Freiheitsgraden einer Kraft eine der auf der Unter- oder Oberseite der dünnen biegsamen Folie aufgebrachten Spulen eines Sensorelements oder jedes Sensorelements der Anordnung von Sensorelementen elektrisch in zwei Spulenhälften aufgeteilt. Zum Messen von drei Freiheitsgraden einer Kraft ist sowohl die auf der Unterseite als auch die auf der Oberseite der dünnen biegsamen Folie aufgebrachte Spule eines Sensorelements oder jedes Sensorelements einer Anordnung von Sensorelementen elektrisch in zwei Spulenhälften aufgeteilt, wobei die Spulenhälften der einen Spule gegenüber denjenigen der anderen Spule um 90° gedreht sind.In further development of the invention is one of the measuring of two degrees of freedom of a force the bottom or top of the thin flexible film applied coils of a sensor element or each Sensor element of the arrangement of sensor elements electrically in two coil halves divided up. For measuring three degrees of freedom of a force both on the bottom and on the top of the thin flexible film applied coil of a sensor element or each sensor element an arrangement of sensor elements electrically divided into two coil halves, wherein the coil halves one coil versus those the other coil rotated 90 ° are.

Gegebenenfalls kann optional als oberste vierte Materiallage wiederum eine elastische Schicht mit ebener Oberfläche vorgesehen werden.If necessary, can optionally be used as top fourth layer of material with an elastic layer flat surface be provided.

Mittels einer auf die vorstehend beschriebene Weise aufgebauten Einrichtung kann zumindest ein Freiheitsgrad einer Kraft gemessen werden. Zum Messen von zwei bzw. drei Freiheitsgraden einer Kraft sind der Abmessung der dritten Schicht, d.h. etwa der Größe der auf der Unter- und/oder Oberseite der biegsamen Folie aufgebrachten Spulen entsprechend angepasste Noppen vorgesehen.By means of the above The device constructed in the manner described can have at least one degree of freedom a force can be measured. For measuring two or three degrees of freedom a force are the dimension of the third layer, i.e. about the Size of the on the bottom and / or top of the flexible film Coils provided with appropriately adapted knobs.

Aufgrund dieses Aufbaus kann eine erfindungsgemäß ausgeführte Sensorfolie auf ebenen Flächen, insbesondere jedoch auch auf zylindrisch gewölbten Flächen aufgebracht werden, da die Sensorfolie in relativ kleinen Biegeradien aufgebracht werden kann, ohne dass hierbei große Spannungen in dem Material auftreten, was sich negativ auf die jeweilige Messung auswirken würde. Darüber hinaus können mit einer Sensorfolie mit einer Vielzahl von einzelnen Sensorelementen sowohl die Normalkomponenten als auch die Tangentialkomponenten von Kräften gemessen werden, welche auf eine Ebene oder auch auf eine mehr oder weniger stark gewölbte Fläche einwirken.Due to this structure, a sensor film designed according to the invention can be on planar Surfaces, in particular, however, are also applied to cylindrically curved surfaces, since the sensor film can be applied in relatively small bending radii without large stresses occurring in the material, which would have a negative effect on the respective measurement. In addition, both the normal components and the tangential components of forces which act on a plane or on a more or less strongly curved surface can be measured with a sensor film with a large number of individual sensor elements.

Zum Messen einer relativen Kraftverteilung besteht gemäß der Erfindung die biegsame und elastische Schicht aus inkompressiblem Material, während diese Schicht zum Messen einer absoluten Kraft aus kompressiblem Material besteht.To measure a relative force distribution according to the invention the flexible and elastic layer of incompressible material, while this layer for measuring an absolute compressible force Material exists.

Ferner können gemäß der Erfindung eine Anzahl Sensorelemente wie Elemente einer Matrix in Zeilen nebeneinander und in Spalten untereinander angeordnet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Sensorelemente beispielsweise in den ungeradzahligen Zeilen gegenüber Sensorelementen in geradzahligen Zeilen etwa um die Breite einer Spulenhälfte gegeneinander versetzt und auf diese Weise ineinander verschachtelt angeordnet sein.Furthermore, according to the invention, a number Sensor elements like elements of a matrix in rows next to each other and arranged in columns one below the other. According to one preferred embodiment of the invention the sensor elements, for example, in the odd-numbered lines opposite sensor elements offset in even lines by approximately the width of one coil half and be nested in this way.

Aufgrund dieser verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten sind zahlreiche Variationen hinsichtlich der Anzahl an Sensorelementen gegeben, da grundsätzlich beliebig viele Sensorelemente in unterschiedlichen Anordnungen vorgesehen werden können, solange parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten nicht stören. Darüber hinaus besteht sowohl in der Art der Anordnung als auch in der Größe der Anordnung ein großer Spielraum, der von wenigen Millimetern bis einigen Metern reicht. Ferner steht durch die unterschiedliche Auslegung der Gesamtdicke der Sensorfolie und der Steifigkeit der elastischen Schicht auch ein großer Messbereich zur Verfügung.Because of these different arrangement options are numerous variations in the number of sensor elements given because basically any number of sensor elements provided in different arrangements can be as long as parasitic capacities and inductors do not bother. About that there is also both the type of arrangement and the size of the arrangement a large margin, which ranges from a few millimeters to a few meters. It also says due to the different design of the total thickness of the sensor film and the stiffness of the elastic layer also a large measuring range to disposal.

Die zahlreichen Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten reichen von einer taktilen "Haut" für einen Robotergreifer über direkte Druckmessungen bei Strömungselementen bis zu einem Einsatz in orthopädischen Diagnosesystemen.The numerous applications and uses range from a tactile "skin" to one Robot gripper over direct pressure measurements on flow elements up to use in orthopedic Diagnostic systems.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:The invention is explained below of the drawings explained in detail. Show it:

1 in einer Schnittansicht den Aufbau eines Sensorelements einer Sensorfolie; 1 in a sectional view the structure of a sensor element of a sensor film;

2 in schematischer Darstellung den Spulenaufbau eines Sensorelements zum Messen eines Freiheitsgrades einer Kraft; 2 a schematic representation of the coil structure of a sensor element for measuring a degree of freedom of a force;

3 in schematischer Darstellung den Spulenaufbau eines Sensorelements zum Messen von zwei Freiheitsgraden einer Kraft; 3 a schematic representation of the coil structure of a sensor element for measuring two degrees of freedom of a force;

4 in schematischer Darstellung den Spulenaufbau eines Sensorelements zum Messen von drei Freiheitsgraden einer Kraft; 4 a schematic representation of the coil structure of a sensor element for measuring three degrees of freedom of a force;

5 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Anordnung von Einzelspulen zu einem Array; 5 a preferred arrangement of individual coils to an array in a schematic representation;

6 ein Blockschaltbild einer Auswerteeinheit, und 6 a block diagram of an evaluation unit, and

7 eine vereinfachte Darstellung einer Auslegung von Synchrongleichrichtern. 7 a simplified representation of a design of synchronous rectifiers.

In 1 ist in einer schematischen Darstellung im Schnitt ein Teil einer Sensorfolie mit einem Sensorelement dargestellt. In 1 ist die unterste Lage der Sensorfolie eine biegsame dünne Folie 1 auf deren Unterseite eine durch eine stark ausgezogene Linie angedeutete Sendespule 11 und auf deren Oberseite eine ebenfalls durch eine stark ausgezogene Linie angedeutete Empfangsspule 12 aufgebracht sind. Die auf der dünnen biegsamen Folie 1 aufgebrachten Spulen, nämlich die Sendespule 11 und die Empfangsspule 12, können auch vertauscht werden, so dass im Unterschied zu der Schnittdarstellung in 1 die Empfangsspule 12 auf der Unterseite und die Sendespule 11 auf der Oberseite der dünnen biegsamen Folie 1 aufgebracht sind.In 1 a part of a sensor film with a sensor element is shown in a schematic representation in section. In 1 the lowest layer of the sensor foil is a flexible thin foil 1 on the underside of a transmission coil indicated by a solid line 11 and on the top of it a reception coil, also indicated by a solid line 12 are upset. The one on the thin flexible film 1 applied coils, namely the transmitter coil 11 and the receiving coil 12 , can also be interchanged, so that in contrast to the sectional view in 1 the receiving coil 12 on the bottom and the transmitter coil 11 on top of the thin flexible sheet 1 are upset.

Über der dünnen biegsamen Folie 1 ist eine erheblich dickere elastische und biegsame Lage 2 vorgesehen. Auf der Oberseite der biegsamen und elastischen Lage 2 ist als dritte Materiallage etwa zentrisch über den auf der biegsamen dünnen Folie 1 aufgebrachten Spule 11, 12 eine entsprechend bemessene dünne Schicht 3 aus leitfähigem oder ferromagnetischem Material vorgesehen.Over the thin, flexible film 1 is a much thicker elastic and flexible layer 2 intended. On the top of the flexible and elastic layer 2 as the third layer of material is approximately centered over that on the flexible thin film 1 applied coil 11 . 12 an appropriately sized thin layer 3 made of conductive or ferromagnetic material.

Als vierte Lage ist in 1 über der dritten, etwa zentrisch über den Spulen 11, 12 vorgesehenen Lage 3 eine noppenförmige Erhebung 4 vorgesehen, über welche eine zu messende Kraft eingeleitet werden kann. Im Falle einer Einrichtung zum Messen nur eines Freiheitsgrades einer Kraft kann anstelle der noppenförmigen Erhebung 4 optional eine dünne elastische Schicht mit ebener Oberfläche vorgesehen werden.The fourth layer is in 1 above the third, approximately centrally over the coils 11 . 12 intended location 3 a knob-shaped elevation 4 provided, via which a force to be measured can be introduced. In the case of a device for measuring only one degree of freedom, a force can be used instead of the knob-shaped elevation 4 optionally a thin elastic layer with a flat surface can be provided.

Über die Steifigkeit oder über die elektrischen Eigenschaften der dritten, dünnen elastischen, leitenden oder ferromagnetischen Schicht kann die Empfindlichkeit des oder der Sensorelemente eingestellt werden. Soll die relative Kraft gemessen und anschließend bestimmt werden, wird für die dritte dünne elastische Lage 3 inkompressibles leitendes oder ferromagnetisches Material verwendet, während zum Messen und anschließenden Bestimmen einer absoluten Kraftmessung bei der dritten Lage kompressibles Material vorgesehen ist.The sensitivity of the sensor element or elements can be adjusted via the rigidity or the electrical properties of the third, thin, elastic, conductive or ferromagnetic layer. If the relative force is to be measured and then determined, the third thin elastic layer is used 3 Incompressible conductive or ferromagnetic material is used, while for the measurement and subsequent determination of an absolute force measurement, compressible material is provided in the third layer.

In 2 ist schematisch ein Sensorelement mit zwei aus mindestens je einer Windung bestehenden Spulen, nämlich einer Sendespule 11 und einer Empfangsspule 12 dargestellt. Hierbei sind jeweils die in der Darstellung etwa rautenförmig ausgebildete, mindestens eine Windung der Sendespule 11 durch eine ausgezogene Linie und diejenige der Empfangsspule 12 durch eine gestrichelt schraffiert wiedergegebene Linie angedeutet.In 2 is schematically a sensor element with two coils consisting of at least one turn, namely a transmitter coil 11 and a receiving coil 12 shown. In this case, the at least one turn of the transmitter coil, which is approximately diamond-shaped in the illustration, is shown 11 by a solid line and that of the receiving coil 12 indicated by a dashed hatched line.

In 3 entspricht die Darstellung der Sendespule 11 derjenigen in 2, während die Empfangsspule 12 in zwei ebenfalls wieder gestrichelt, schraffiert wiedergegebene Spulenhälften aufgeteilt ist.In 3 corresponds to the representation of the transmitter coil 11 of those in 2 while the receiving coil 12 is divided into two halves of the coil, again represented by dashed lines, hatched.

In 4 ist sowohl die durch eine ausgezogene Linie wiedergegeben Sendespule 11 als auch die gestrichelt schraffiert wiedergegebene Empfangsspule 12 in zwei Hälften aufgeteilt, wobei die Spulenhälften der einen Spule gegenüber denjenigen der anderen Spule um 90° gedreht sind. Die eine Hälfte der Sendespule 11 ist im oberen Teil der Darstellung in 4 und die andere Hälfte ist im unteren Teil in 4 angedeutet. Um 90° hierzu gedreht, ist dann die eine Spulenhälfte der Emp fangsspule 12 links und deren andere Spulenhälfte rechts in der Darstellung in 4 wiedergegeben.In 4 is both the transmitter coil represented by a solid line 11 as well as the reception coil shown with hatched hatching 12 divided into two halves, the coil halves of one coil being rotated by 90 ° with respect to those of the other coil. Half of the coil 11 is in the upper part of the illustration 4 and the other half is in at the bottom 4 indicated. Turned 90 ° to this, then is one coil half of the receiving coil 12 on the left and the other half of the coil on the right in the illustration in 4 played.

Mit dem Spulenaufbau gemäß 3 können zwei Freiheitsgrade einer Kraft gemessen werden, während mit dem Spulenaufbau gemäß 4 drei Freiheitsgrade einer Kraft gemessen werden können. Zum Messen von einem Freiheitsgrad bzw. von zwei Freiheitsgraden einer Kraft wird, wie 2 und 3 zu entnehmen ist, die ungeteilte Windung der Sendespule 11 angeregt, was durch das Wort "Anregung" zum Ausdruck gebracht ist. Zum Messen von drei Freiheitsgraden müssen in 4 die beiden Hälften der Sendespule 11 gesondert angeregt werden, was in 4 durch "Anregung a" bzw. "Anregung b" zum Ausdruck gebracht ist.With the coil structure according to 3 two degrees of freedom of a force can be measured while using the coil structure according to 4 three degrees of freedom of a force can be measured. To measure one degree of freedom or two degrees of freedom of a force, how 2 and 3 the undivided turn of the transmitter coil can be seen 11 excited what is expressed by the word "suggestion". To measure three degrees of freedom, in 4 the two halves of the transmitter coil 11 be separately stimulated, what in 4 is expressed by "suggestion a" or "suggestion b".

Entsprechend der/n Anregung/en der Sendespule 11 bzw. der Sendespulenhälften wird in 2 beim Messen eines Freiheitsgrades einer Kraft ein Signal bzw. werden zum Messen von zwei und drei Freiheitsgraden einer Kraft in 3 bzw. in 4 jeweils zwei Signale c, d abgenommen/empfangen. In 2 bis 4 ist die dünne biegsame Schicht 1 nicht dargestellt, auf deren Unter- oder Oberseite entweder die Sendespule bzw. die Sendespulenhälften oder die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulenhälften aufgebracht sind.According to the excitation (s) of the transmitter coil 11 or the coil halves is in 2 when measuring a degree of freedom of a force a signal or are used to measure two and three degrees of freedom of a force in 3 or in 4 two signals c, d picked up / received. In 2 to 4 is the thin flexible layer 1 not shown, on the bottom or top of which either the transmitter coil or the transmitter coil halves or the receiver coil or the receiver coil halves are applied.

In 5 ist eine vorteilhafte sehr dicht gepackte Anordnung von Sensorelementen dargestellt. In 5 sind die in den geradzahligen Zeilen, nämlich der zweiten, vierten und sechsten Zeile, angeordneten Sende- und Empfangsspulen bzw. deren Spulenhälften um etwas mehr als die halbe Breite der Sende- und Empfangsspulen bzw. der Spulenhälften gegenüber denjenigen in den ungeradzahligen Zeilen, nämlich der ersten, dritten und fünften Zeile, nach rechts versetzt.In 5 an advantageous very densely packed arrangement of sensor elements is shown. In 5 are the transmitting and receiving coils or their coil halves arranged in the even-numbered lines, namely the second, fourth and sixth line, by slightly more than half the width of the transmitting and receiving coils or the coil halves compared to those in the odd-numbered lines, namely the first, third and fifth lines, offset to the right.

Die Betriebsfrequenz liegt so niedrig, maximal bei einigen MHz, dass beispielsweise das Sensorarray in 5 noch als konzentriert zu bezeichnen ist; dies bedeutet, es werden keine parasitären Leitungskapazitäten relevant, welche einen Dadurch ist eine sehr große Packungsdichte erreicht, da der Abstand zwischen den einzelnen Sensorelementen der jeweiligen Zeilen und Spalten sehr klein gewählt werden kann. Bei einer entsprechenden Beschaltung ist es sogar möglich, dass sich zwei Sensorelemente Leitungen teilen.The operating frequency is so low, at a maximum of a few MHz, that, for example, the sensor array in 5 can still be described as concentrated; This means that no parasitic line capacitances are relevant which result in a very high packing density, since the distance between the individual sensor elements of the respective rows and columns can be chosen to be very small. With appropriate wiring, it is even possible for two sensor elements to share lines.

Ferner zeichnet sich die in 5 wiedergegebene Anordnung auch dadurch aus, dass direkt nebeneinander liegende, in Spalten angeordnete Empfangsspulen von in unterschiedlichen Zeilen angeordneten Sendespulen angeregt werden, wodurch eine störende magnetische Kopplung benachbarter Sensorelemente unterbunden ist.Furthermore, the in 5 reproduced arrangement also characterized in that directly adjacent to each other, arranged in columns receiving coils are excited by transmitting coils arranged in different rows, whereby a disturbing magnetic coupling of adjacent sensor elements is prevented.

Anhand von 4 wird nunmehr die Auswertung eines Signals zum Messen von drei Freiheitsgraden einer Kraft erläutert. Hierbei wird zunächst nur ein Sensorelement in Betracht gezogen.Based on 4 the evaluation of a signal for measuring three degrees of freedom of a force is now explained. Here, only one sensor element is initially considered.

Es soll wiederum, wie in Verbindung mit 4 beschrieben, auf der Unterseite der biegsamen Folie 1 eine Sendespule 11 aufgebracht sein, welche, auf die Darstellung in 4 bezogen, in eine untere und eine obere Spulenhälfte aufgeteilt ist. Auf der Oberseite der biegsamen Folie 1 ist die Empfangsspule 12 aufgebracht, die – ebenfalls wieder bezogen auf die Darstellung in 4 – in eine linke und eine rechte Spulenhälfte aufgeteilt ist.In turn, it is said to be in connection with 4 described on the underside of the flexible film 1 a transmitter coil 11 be applied, which, on the representation in 4 related, is divided into a lower and an upper half of the coil. On the top of the flexible film 1 is the receiving coil 12 applied, which - also related to the representation in 4 - is divided into a left and a right half of the coil.

Die Betriebsfrequenz liegt so niedrig, maximal bei einigen MHz, dass beispielsweise das Sensorarray in 5 noch als konzentriert zu bezeichnen ist; dies bedeutet, es werden keine parasitären Leitungskapazitäten relevant, welche einen gleichmäßigen Stromfluss durch die Sensorelement-Anordnung verhindern würden.The operating frequency is so low, at a maximum of a few MHz, that, for example, the sensor array in 5 can still be described as concentrated; this means that no parasitic line capacitances are relevant which would prevent a uniform current flow through the sensor element arrangement.

Während eines Messzyklus wird abwechselnd die in 4 obere bzw. untere Hälfte 11 der Sendespule sinus- oder pulsförmig bestromt. Das von der einen oder anderen Sendespulenhälfte erzeugte Wechselmagnetfeld induziert in den beiden Hälften der Empfangsspule 12 jeweils eine Spannung.During a measuring cycle, the in 4 upper or lower half 11 the transmitter coil is supplied with sinusoidal or pulsed current. The alternating magnetic field generated by one or the other half of the transmitter coil induces in the two halves of the receiver coil 12 one tension each.

Wie in dem Blockschaltbild von 6 schematisch dargestellt, werden erfindungsgemäß die in den beiden Spulenhälften der Empfangsspule 11 erzeugten Spannungen in Verstärkern 5, 6 verstärkt, mit Hilfe von Synchrongleichrichtern 7, 8 und eines als Integrator wirkenden Tiefpasses 9 in ein Gleichspannungssignal überführt. Hierbei werden in einer Auswerteschaltung die Signale aller linken Empfangsspulenhälften gemultiplext, zunächst durch einen Klasse A Verstärker vorverstärkt und dann durch einen voll-differentiellen Verstärker symmetriert. Ebenso werden die Signale der rechten Empfangsspulenhälften gemultiplext, verstärkt und symmetriert.As in the block diagram of 6 are shown schematically, according to the invention, in the two coil halves of the receiving coil 11 generated voltages in amplifiers 5 . 6 amplified with the help of synchronous rectifiers 7 . 8th and a low pass that acts as an integrator 9 converted into a DC voltage signal. In this case, the signals of all left halves of the reception coil are multiplexed in an evaluation circuit, first preamplified by a class A amplifier and then balanced by a fully differential amplifier. The signals of the right half of the receiver coil are also multiplexed, amplified and balanced.

Die so generierten vier Signale werden Analogschaltern zugeführt, welche so, wie in 7 schematisch dargestellt, gesteuert werden. Deren Ausgänge werden zusammen auf einen Verstärker mit Tiefpassverhalten gelegt. Das so erhaltene Signal stellt bereits ein Maß für die entsprechende Kraft dar und kann ohne großen Rechenaufwand von einem Microcontroller mit AD-Wandler weiterverarbeitet werden.The four signals generated in this way are fed to analog switches, which are as in 7 represented schematically, controlled. Their outputs are put together on an amplifier with low-pass behavior. The signal obtained in this way already represents a measure of the corresponding force and can be further processed by a microcontroller with an AD converter without great computation effort.

Wird nun Druck in Normalrichtung auf die Noppe 4 eines Sensorelements ausgeübt, wird die elastische Zwischenlage 2 zusammengedrückt. Dadurch nähert sich die leitfähige bzw. ferromagnetische dritte Lage der Spulenanordnung; das Feld wird aufgrund der entstehenden Wirbelströme gedämpft bzw. aufgrund des im Magnetfeld befindlichen ferromagnetischen Materials verstärkt. Die durch den höheren bzw. niedrigeren magnetischen Fluss entstehende Änderung in den Ausgangsspannungen, was in 4 mit "Signal c" bzw. "Signal d" bezeichnet ist, stellt somit ein Maß für die aufgebrachte Kraft dar.If pressure is now applied in the normal direction burl 4 exerted by a sensor element, the elastic intermediate layer 2 pressed together. As a result, the conductive or ferromagnetic third layer approaches the coil arrangement; the field is attenuated due to the eddy currents generated or reinforced due to the ferromagnetic material in the magnetic field. The change in the output voltages caused by the higher or lower magnetic flux, which in 4 "Signal c" or "Signal d" is a measure of the applied force.

Ein tangentiales Aufbringen einer Kraft führt dazu, dass die Noppe 4 über dem jeweiligen Sensorelement verschoben und gekippt wird. Dies führt jeweils in Abhängigkeit von der Richtung der aufgebrachten Kraft dazu, dass sich Unterschiede in der induzierten Spannung zwischen den linken und den rechten Spulenhälften der Empfangsspule 12 ergeben; mit anderen Worten, die in den beiden Spulenhälften der Empfangsspule 12 induzierten Spannungen sind unterschiedlich, je nachdem ob sie durch Bestromung der oberen oder der unteren Spulenhälfte der Sendespule 11 erzeugt wurde. Die Differenzen zwischen den beiden induzierten Spannungen stellen dann ein Maß für die tangential auftretenden Kräfte dar. Durch einen entsprechenden Aufbau der Verstärker sowie der Synchrongleichrichter kann die erforderliche Differenzbildung bereits hier erfolgen.A tangential application of a force leads to the pimple 4 is moved and tilted over the respective sensor element. Depending on the direction of the applied force, this leads to differences in the induced voltage between the left and right half of the coil of the receiving coil 12 yield; in other words, that in the two coil halves of the receiving coil 12 induced voltages vary depending on whether they are energized by the upper or the lower half of the coil of the transmitter coil 11 was generated. The differences between the two induced voltages then represent a measure of the tangentially occurring forces. By means of a corresponding design of the amplifiers and the synchronous rectifier, the necessary difference formation can already take place here.

In 7 ist schematisiert die Steuerung durch die Synchrongleichrichter 7, 8 (6) dargestellt, je nachdem welche Kraftkomponente gemessen werden soll. Hierbei ist in 7 in den beiden oberen Zeilen jeweils die Anregung der in 4 oberen bzw. unteren Sendespulenhälfte angedeutet. In den beiden unteren Zeilen sind die zur Steuerung erforderlichen Impulse der Synchrongleichrichter für die linke bzw. rechte Empfängerspulenhälfte dargestellt. Hierbei ist in dem linken Teil von 7 die Messung der y-Verschiebung, im mittleren Teil von 7 die Messung der x-Verschiebung und im rechten Teil von 7 die Messung der z-Verschiebung schematisch dargestellt.In 7 is schematized the control by the synchronous rectifier 7 . 8th ( 6 ), depending on which force component is to be measured. Here is in 7 in the two lines above, the suggestion of in 4 indicated upper and lower transmitter coil half. The two lines below show the pulses required for control by the synchronous rectifiers for the left and right half of the receiver coil. Here is in the left part of 7 the measurement of the y-shift, in the middle part of 7 the measurement of the x-shift and in the right part of 7 the measurement of the z-displacement is shown schematically.

Bei einer Anordnung der Sensorelemente in Form eines Arrays wie in S wird jeweils eine ganze Zeile der seriell geschalteten Sendespulen gemeinsam bestromt. Dabei können auch alle Spalten von seriell geschalteten Empfangsspulen bzw. Empfangsspulenhälften gleichzeitig ausgelesen werden. Da hierbei nur in jeweils einer der Empfangsspulenhälften einer ganzen Spalte eine Spannung induziert wird, ist die Spannung dieser Spalte gleich der Spannung des einzelnen Elements. Allerdings ist es hierzu erforderlich, dass die Eingangsimpedanzen der Verstärker 5, 6 (6) für die Empfangsspulen bzw. Empfangsspulenhälften relativ hoch sind, um einen Stromfluss zu verhindern, der sonst seinerseits in anderen Spulen ungewollte Spannungen induzieren würde.If the sensor elements are arranged in the form of an array as in S an entire line of the series-connected transmitter coils is energized together. All columns of serially connected receiving coils or receiving coil halves can also be read out simultaneously. Since a voltage is only induced in one of the receiver coil halves of an entire column, the voltage of this column is equal to the voltage of the individual element. However, this requires that the input impedances of the amplifiers 5 . 6 ( 6 ) are relatively high for the receiving coils or receiving coil halves in order to prevent a current flow which would otherwise in turn induce unwanted voltages in other coils.

Statt eines gleichzeitigen Auslesens der Empfangsspulenspalten können diese natürlich auch durch Analogschalter gemultiplext werden, wodurch der elektronische Aufwand klein gehalten ist. Bei der Anregungsfrequenz von 2MHz ist ein Auslesetakt von 20kHz möglich. Dies stellt eine ausreichende Bandbreite dar, um auch die durch Rutschen eines Objekts auf einer Sensorfolie entstehenden Vibrationen messen zu können.Instead of reading out at the same time the receiving coil columns can this of course can also be multiplexed by analog switches, making the electronic Effort is kept small. At the excitation frequency of 2MHz a reading clock of 20kHz possible. This represents a sufficient bandwidth to cover the through Slipping of an object on a sensor film vibrations to be able to measure.

Bei einem Aufbau in Form beispielsweise des Arrays in 5 kann eine große Anzahl von Einzelsensoren mit relativ geringem elektronischem Aufwand ausgewertet werden. Die erzeugten magnetischen Wechselfelder sind nach außen hin durch die leitfähige Schicht oder das ferromagnetische Material gut abgeschirmt. Ebenso können äußere Störeinflüsse durch die ferromagnetische bzw. leitfähige Schicht gedämpft werden. Um abgestrahlte Leistung auf ein größeres Frequenzband zu vertei len, kann die Anordnung auch mit einem schmalbandigen Rauschen getaktet werden, was zu einer besseren elektromagnetischen Verträglichkeit führt.With a structure in the form of, for example, the array in 5 a large number of individual sensors can be evaluated with relatively little electronic effort. The generated alternating magnetic fields are well shielded from the outside by the conductive layer or the ferromagnetic material. External interference can also be dampened by the ferromagnetic or conductive layer. In order to distribute radiated power over a larger frequency band, the arrangement can also be clocked with a narrow-band noise, which leads to better electromagnetic compatibility.

Claims

Device for measuring a force by means of a multi-layer tactile structure, characterized in that for measuring at least one degree of freedom of a force at least one sensor element or each sensor element of an arrangement of sensor elements is one of three thin layers of material ( 1 to 3 ) formed sensor film, a knob ( 4 ) and two coils, namely a transmitter coil ( 11 ) and a receiving coil ( 12 ), each with at least one turn, one of the two coils ( 11 . 12 ) on the top and the other on the bottom of the lowest layer of material ( 1 ) is applied, with the three-layer sensor film as the lowest layer of material, a thin, flexible and non-elastic film ( 1 ), directly above it as a second layer of material, a flexible and elastic layer ( 2 ), and on this as a third layer of material, an approximately centric one only over that on the underside and top of the flexible film ( 1 ) applied coils ( 11 . 12 ) provided thin layer ( 3 ) made of conductive or ferromagnetic material, the diameter of which is slightly smaller than that of the coils ( 11 . 12 ) and the pimple ( 4 ) in the dimension of the third layer of material ( 3 ) is adapted accordingly to the sensor film.

Device according to claim 1, characterized in that for measuring only one degree of freedom of a force instead of the knob ( 4 ) as a fourth layer of material, another elastic layer with a flat surface is provided.

Device according to claim 1, characterized in that for measuring two degrees of freedom of the force on the underside or top of the thin flexible layer ( 1 ) applied Receiving coil ( 11 ) of a sensor element or each sensor element of an arrangement of sensor elements is electrically divided into two coil halves.

Device according to claim 1, characterized in that for measuring three degrees of freedom of the force each of the on the underside or top of the thin flexible layer ( 1 ) applied coils ( 11 . 12 ) of a sensor element or each sensor element of an arrangement of sensor elements is electrically divided into two coil halves, the coil halves of the one coil being rotated by 90 ° with respect to those of the other coil.

Device according to claim 1, characterized in that the flexible and elastic layer ( 2 ) to measure a relative force distribution from incompressible material or to measure an absolute force from compressible material.

Device according to one of claims 1, 3 or 4, characterized in that that a number of sensor elements like elements of a matrix side by side in rows and are arranged in columns one below the other.

Device according to claim 6, characterized in that the sensor elements in the odd-numbered rows of a matrix across from the sensor elements in the even rows of the matrix by the width of one coil half are staggered and nested.