DE202017102625U1

DE202017102625U1 - Multi-layered, tactile sensor

Info

Publication number: DE202017102625U1
Application number: DE202017102625.6U
Authority: DE
Original assignee: Pilz GmbH and Co KG
Current assignee: Pilz GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-08-06
Anticipated expiration: 2027-05-04

Abstract

Sensoranordnung (10) mit einer ersten (12), zweiten (14) und dritten Schicht (16) aus flexiblem Material, die übereinandergelegt einen druckempfindlichen Sensor mit mindesten zwei Sensorzellen bilden,die erste Schicht (12) umfasst einen ersten (20) und einen zweiten (28) sich in der Fläche erstreckenden, elektrisch leitenden Bereich, die über einen elektrisch nichtleitenden Bereich (22) mechanisch miteinander verbunden sind, und die zweite Schicht (14) umfasst einen dritten (30) sich in der Fläche erstreckenden leitenden Bereich,wobei der dritte elektrisch leitende Bereich (30) der zweiten Schicht (14) den ersten und zweiten elektrisch leitenden Bereich (20, 28) der ersten Schicht (12) überlappt und der Bereich der Überlappung einen aktiven Bereich (36) einer ersten und einer zweiten Sensorzelle definiert,wobei die dritte Schicht (16) aus einem leitfähigen, elastischen Material (24) gebildet ist, das im aktiven Bereich (36) mit dem ersten und zweiten leitenden Bereich (20, 28) der ersten Schicht (12) bei einer lokalen mechanischen Belastung zusammenwirkt, so dass sich ein elektrischer Widerstand (38) zwischen dem ersten, zweiten und dritten elektrischen Bereich (20, 28, 30) im Ort der Druckbelastung ändert, undwobei die Sensoranordnung eine Fixierung (56; 58; 60) aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie die erste und zweite Schicht (12, 14) zueinander fixiert, wobei die Fixierung außerhalb des aktiven Bereichs (36) angeordnet ist, so dass die erste, und dritte Schicht (12, 16) im aktiven Bereich (36) unbelastet aufeinanderliegen und die einander zugewandten Oberflächen (48, 50) der ersten und dritten Schicht (12, 16) im Wesentlichen frei von einer Fixierung sind.A sensor assembly (10) comprising first (12), second (14) and third layers (16) of flexible material stacked to form a pressure sensitive sensor having at least two sensor cells, the first layer (12) comprising first (20) and first (20) second (28) surface-extending electrically conductive regions mechanically interconnected via an electrically non-conductive region (22), and the second layer (14) comprises a third (30) surface-conductive region; the third electrically conductive region (30) of the second layer (14) overlaps the first and second electrically conductive regions (20, 28) of the first layer (12) and the region of overlap overlaps an active region (36) of a first and a second sensor cell wherein the third layer (16) is formed of a conductive, resilient material (24) that communicates with the first and second conductive regions (20, 28) in the active region (36) cooperating with a local mechanical load such that an electrical resistance (38) between the first, second and third electrical regions (20, 28, 30) changes in the location of the pressure load, and wherein the sensor arrangement has a fixation ( 56; 58; 60) adapted to fix the first and second layers (12, 14) to each other, the fixation being located outside the active area (36) such that the first and third layers (12, 16) in the active region (36) are unloaded on one another and the mutually facing surfaces (48, 50) of the first and third layers (12, 16) are substantially free of a fixation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit einer ersten, zweiten und dritten Schicht aus flexiblem Material. Die Schichten bilden übereinandergelegt einen druckempfindlichen Sensor mit mindestens zwei Sensorzellen.The present invention relates to a sensor assembly having first, second and third layers of flexible material. The layers superimposed form a pressure-sensitive sensor with at least two sensor cells.

Ein solcher Sensor ist beispielsweise aus der DE 10 2015 120 368 B3 bekannt.Such a sensor is for example from the DE 10 2015 120 368 B3 known.

Gattungsmäßige mehrschichtige Sensoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie mindestens eine Schicht aus einem druckempfindlichen Material aufweisen, welches bei lokaler mechanischer Belastung seinen elektrischen Durchgangswiderstand im Ort der Belastung ändert. Elektroden oberhalb und unterhalb der druckempfindlichen Schicht erfassen die Widerstandsänderung und ermöglichen so eine Bestimmung des Ortes und der Stärke einer Druckbelastung auf die Sensoranordnung. Auf diese Weise lassen sich flexible, flächige Sensoren erstellen, die in Trittmatten oder Eingabegeräten verwendet werden können.Generic multilayer sensors are characterized by the fact that they have at least one layer of a pressure-sensitive material, which changes its electrical volume resistance in the place of loading under local mechanical stress. Electrodes above and below the pressure-sensitive layer detect the change in resistance and thus enable a determination of the location and the magnitude of a pressure load on the sensor arrangement. In this way, flexible, flat sensors can be created, which can be used in running mats or input devices.

Das grundlegende Prinzip solcher taktilen Sensoren ist in der GB 2 115 555 A beschrieben. GB 2 115 555 A offenbart einen taktilen Sensor, bei dem die druckempfindliche Schicht in Form einer elastischen Matte ausgebildet ist. Die Matte kann ein textiler Web- oder Filzstoff sein, der mit einem kohlenstoffartigen oder einem metallischen Additiv durchsetzt ist, wodurch die Matte insgesamt leitfähig wird. Die leitfähig gemachten Fasern der Matte wirken bei einer Druckbelastung auf die Matte zusammen, so dass sich im Ort der Druckbelastung ein Durchgangswiderstand durch die Matte verändert. Um den veränderlichen Durchgangswiderstand zu messen, sind gemäß der GB 2 115 555 A streifenförmige Elektroden matrixartig oberhalb und unterhalb der Matte angeordnet und mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt. Die Elektroden sind beispielsweise metallische Folien oder mit Metall versetzte Silikone. Über eine an einer oberen und einer unteren Elektrode angelegten Spannung, kann der elektrische Widerstand im Überlappungsbereich der jeweiligen Elektroden bestimmt werden und somit der Durchgangswiderstand der elastischen Matte an diesem Ort. Der gemessene Durchgangswiderstand lässt wiederum Rückschlüsse auf die jeweilige Druckbelastung an dieser Stelle zu. Indem nacheinander jeweils der Widerstand zwischen einer oberen und einer unteren Elektrode bestimmt wird, kann eine Druckverteilung über die elastische Matte bestimmt werden.The basic principle of such tactile sensors is in the GB 2 115 555 A described. GB 2 115 555 A discloses a tactile sensor in which the pressure-sensitive layer is in the form of an elastic mat. The mat may be a textile woven or felt interspersed with a carbonaceous or metallic additive, thereby rendering the mat conductive overall. The conductive fibers of the mat act together in a pressure load on the mat, so that changes in the location of the pressure load volume resistance through the mat. In order to measure the variable volume resistance, according to the GB 2 115 555 A strip-like electrodes arranged in a matrix above and below the mat and coupled to an electrical circuit. The electrodes are, for example, metallic foils or silicones mixed with metal. By means of a voltage applied to an upper and a lower electrode, the electrical resistance in the overlapping region of the respective electrodes can be determined, and thus the volume resistance of the elastic mat in this location. The measured volume resistance in turn allows conclusions about the respective pressure load at this point. By successively determining the resistance between an upper and a lower electrode, a pressure distribution across the elastic mat can be determined.

Das Messprinzip beruht somit darauf, den veränderlichen Durchgangswiderstand der druckempfindlichen Schicht zu bestimmen, um eine Druckverteilung zu ermitteln. Maßgeblich für die Eigenschaften des Sensors ist somit die Beschaffenheit des druckempfindlichen, elektrisch leitfähigen Materials und dessen Fähigkeit seinen Durchgangswiderstand zu ändern. Bei einer sehr dünnen Schicht kann es vorkommen, dass eine Änderung des Durchgangswiderstands durch eine Druckbelastung nur gering ist und somit großflächige Elektroden nötig sind, um eine Änderung des Durchgangswiderstands erfassen zu können. Die Größe einer Sensorzelle, die durch die Überlappungsbereiche der Elektroden bestimmt wird, ist somit direkt abhängig von der Schichtendicke der druckempfindlichen Schicht, wodurch unmittelbar das Auflösungsvermögen eines Sensors mit vielen Sensorzellen unvorteilhaft beschränkt wird.The measuring principle is therefore based on determining the variable volume resistance of the pressure-sensitive layer in order to determine a pressure distribution. Decisive for the properties of the sensor is thus the nature of the pressure-sensitive, electrically conductive material and its ability to change its volume resistivity. In the case of a very thin layer, it may happen that a change in the contact resistance due to a compressive load is only slight and thus large-area electrodes are necessary in order to be able to detect a change in the contact resistance. The size of a sensor cell, which is determined by the overlapping areas of the electrodes, is thus directly dependent on the layer thickness of the pressure-sensitive layer, which immediately disadvantageously limits the resolving power of a sensor having many sensor cells.

Ein weiterer Nachteil ist, dass sehr eng beieinanderliegende Sensorzellen, sich gegenseitig beeinflussen können, indem sich der veränderliche Durchgangswiderstand im Bereich einer Zelle auf die benachbarte Zelle auswirkt. Benachbarte Sensorzellen müssen daher, um diesen Effekt zu minimieren, weiter voneinander beabstandet werden, wodurch tote Bereich zwischen den Sensorzellen entstehen, in denen keine effektive Erkennung der Druckbelastung erfolgen kann.Another disadvantage is that very close together sensor cells, can influence each other by the variable volume resistance in the area of one cell affects the adjacent cell. Adjacent sensor cells must therefore be further spaced apart to minimize this effect, thereby creating dead zones between the sensor cells where no effective detection of the pressure load can occur.

DE 10 2007 022 871 A1 greift diese Probleme auf und schlägt vor, die druckempfindliche, leitfähige Schicht zumindest partiell zu unterbrechen, um zwei benachbarte Zellen elektrisch voneinander zu entkoppeln. In einem ersten Ausführungsbeispiel offenbart DE 10 2007 022 871 A1 hierfür einen Sensor, bei dem die druckempfindliche, leitfähige Schicht in einzelne Pads aufgeteilt ist, die je an Kreuzungspunkten zweier Elektroden platziert sind und im Übrigen durch Luft oder einem anderen Medium, welches einen größeren elektrischen Widerstand hat, voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise sind die einzelnen Zellen elektrisch vollständig voneinander entkoppelt, jedoch bilden auch hier die Bereiche, in denen die Entkopplung erfolgt, Abschnitte, in denen eine Druckbelastung effektiv nicht erkannt werden kann. DE 10 2007 022 871 A1 addresses these problems and proposes to at least partially interrupt the pressure sensitive conductive layer to electrically decouple two adjacent cells from each other. In a first embodiment disclosed DE 10 2007 022 871 A1 For this purpose, a sensor in which the pressure-sensitive, conductive layer is divided into individual pads, which are each placed at intersections of two electrodes and, moreover, by air or other medium, which has a greater electrical resistance, are spaced from each other. In this way, the individual cells are electrically completely decoupled from each other, but here also form the areas in which the decoupling takes place, sections in which a pressure load can not be effectively detected.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel offenbart DE 10 2007 022 871 A1 alternativ, die druckempfindliche, leitfähige Schicht durchgängig zu gestalten, wobei jedoch einzelne Bereiche der druckempfindlichen, leitfähigen Schicht so bearbeitet werden, beispielsweise
indem Stücke herausgeschnitten oder gefräst werden, dass zwischen zwei benachbarten Sensorzellen Stege gebildet werden, die zwei benachbarte Sensorzellen elektrisch voneinander entkoppeln. Die druckempfindliche, leitfähige Schicht bleibt so zusammenhängend, bedarf aber einer entsprechenden Bearbeitung, um die Stege in Form von hochohmigen Brücken zu bilden.In a second embodiment disclosed DE 10 2007 022 871 A1 alternatively, to make the pressure-sensitive conductive layer continuous, but with individual regions of the pressure-sensitive conductive layer being processed, for example
by cutting out or milling pieces, webs are formed between two adjacent sensor cells, which electrically decouple two adjacent sensor cells from one another. The pressure-sensitive conductive layer remains coherent but requires appropriate processing to form the lands in the form of high-resistance bridges.

Jede der in DE 10 2007 022 871 A1 beschriebenen Varianten setzt somit voraus, dass die druckempfindliche, leitfähige Schicht bearbeitet und angepasst werden muss, entweder indem diese in einzelne Komponenten aufgeteilt wird oder indem Bereiche zu hochohmigen Brücken gewandelt werden. Beides macht den Gesamtaufbau des Sensors aufwendig und teuer. Darüber hinaus sind weiterhin Einschränkungen in Bezug auf Auflösung bzw. tote Bereiche, in denen der Sensor effektiv keine Druckbelastung erfassen kann, hinzunehmen.Each of the in DE 10 2007 022 871 A1 Thus, the variants described requires that the pressure-sensitive, conductive layer processed and must be adapted, either by dividing them into individual components or by converting areas to high-resistance bridges. Both make the overall structure of the sensor consuming and expensive. In addition, limitations in terms of resolution or dead areas, in which the sensor can effectively detect no pressure load, continue to increase.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen taktilen Sensor anzugeben, mit dem sich eine ortsabhängige Druckverteilung präzise bestimmen lässt und der die vorstehend genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere ist ein Sensor anzugeben, der besonders flach und flexibel ausgebildet ist, eine hohe Auflösung ermöglicht und nur wenige tote Bereiche aufweist, in denen eine effektive Bestimmung der Druckbelastung nicht erfolgen kann.It is therefore an object of the present invention to provide a tactile sensor with which a location-dependent pressure distribution can be determined precisely and avoids the disadvantages mentioned above. In particular, a sensor is to be provided which is designed to be particularly flat and flexible, permits high resolution and has only a few dead areas in which an effective determination of the pressure load can not take place.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sensoranordnung mit einer ersten, zweiten und dritten Schicht aus flexiblem Material, die übereinandergelegt einen druckempfindlichen Sensor mit mindestens zwei Sensorzellen bilden, die erste Schicht umfasst einen ersten und einen zweiten sich in der Fläche erstreckenden, elektrisch leitenden Bereich und einen zwischen dem ersten und zweiten leitenden Bereich liegenden elektrischen nichtleitenden Bereich, und die zweite Schicht umfasst einen dritten sich in der Fläche erstreckenden leitenden Bereich, wobei der dritte elektrisch leitende Bereich der zweiten Schicht den ersten und zweiten elektrisch leitenden Bereich der ersten Schicht überlappt und der Bereich der Überlappung einen aktiven Bereich einer ersten und einer zweiten Sensorzelle definiert, wobei die dritte Schicht aus einem leitfähigen, elastischen Material gebildet ist, das im aktiven Bereich mit dem ersten und zweiten leitenden Bereich der ersten Schicht bei einer lokalen mechanischen Belastung zusammenwirkt, so dass sich ein elektrischer Widerstand zwischen dem ersten, zweiten und dritten elektrischen Bereich im Ort der Druckbelastung ändert, und wobei die Sensoranordnung eine Fixierung aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie die erste und zweite Schicht zueinander fixiert, wobei die Fixierung außerhalb des aktiven Bereichs angeordnet ist, so dass die erste, zweite und dritte Schicht im aktiven Bereich unbelastet aufeinanderliegen und die einander zugewandten Oberflächen der ersten, zweiten und dritten Schicht im Wesentlichen frei von einer Fixierung sind.According to one aspect of the present invention, this object is achieved by a sensor arrangement comprising first, second and third layers of flexible material which, when laid one above the other, form a pressure-sensitive sensor with at least two sensor cells, the first layer comprising first and second surfaces extending in the surface , electrically conductive region and an electrically nonconductive region located between the first and second conductive regions, and the second layer comprises a third surface conductive region, the third electrically conductive region of the second layer comprising the first and second electrically conductive regions overlapping the first layer and the region of the overlap defines an active region of a first and a second sensor cell, wherein the third layer is formed of a conductive, elastic material in the active region with the first and second conductive region The first layer interacts with a local mechanical stress such that an electrical resistance changes between the first, second and third electrical regions in the location of the pressure load, and wherein the sensor arrangement has a fixation which is designed such that it forms the first and second fixed second layer to each other, wherein the fixation is arranged outside the active area, so that the first, second and third layer in the active area are superimposed unloaded and the facing surfaces of the first, second and third layers are substantially free of a fixation.

Es ist somit eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine Druckbelastung des Sensors nicht aufgrund des veränderlichen Durchgangswiderstands einer Schicht zu bestimmen, sondern anhand des elektrischen Widerstands, der sich aus dem Durchgangswiderstand und einem Übergangswiderstand, der sich aus dem Zusammenwirken der druckempfindlichen Schicht und den Schichten, in welchen die Elektroden ausgebildet sind, ergibt. Maßgeblich für die Erfassung der Druckbelastung ist somit neben dem Durchgangswiderstand insbesondere der Übergangswiderstand zwischen den Schichten. Es hat sich gezeigt, dass so schon ein geringer Druck auf die Sensorzelle zu einer messbaren Änderung des elektrischen Widerstands führt, wodurch druckempfindlichere Sensoren erstellt werden können.It is thus an idea of the present invention to determine a pressure load of the sensor not due to the variable volume resistance of a layer, but on the basis of the electrical resistance, which consists of the volume resistance and a contact resistance resulting from the interaction of the pressure-sensitive layer and the layers, in which the electrodes are formed results. Decisive for the detection of the pressure load is thus in addition to the contact resistance in particular the contact resistance between the layers. It has been shown that even a slight pressure on the sensor cell leads to a measurable change in the electrical resistance, which pressure-sensitive sensors can be created.

Eine Sensorzelle umfasst somit nicht nur das elektrisch leitfähige Material und eine Verbindung zu einer Elektrode, sondern vielmehr sind die Elektroden selbst ein Teil der Sensorzelle und tragen maßgeblich zu deren elektrischen Charakter bei. Dies wird dadurch erreicht, dass die Schichten, in denen die Elektroden ausgebildet sind, gleichartig zu der Zwischenschicht ausgebildet sind, und damit vorzugweise ebenfalls druckempfindlich und elastisch sind.A sensor cell thus comprises not only the electrically conductive material and a connection to an electrode, but rather the electrodes themselves are part of the sensor cell and contribute significantly to their electrical character. This is achieved in that the layers in which the electrodes are formed, are formed similar to the intermediate layer, and thus preferably also pressure-sensitive and elastic.

Indem primär auf den Effekt des veränderlichen Übergangswiderstands abgestellt wird, kann zudem die Abhängigkeit der Sensorgeometrie von dem druckempfindlichen Material verringert werden. Insbesondere wird der Effekt des Übersprechens von einer Sensorzelle zu einer anderen Sensorzelle vorteilhaft minimiert, da nunmehr nicht der Durchgangswiderstand des druckempfindlichen Materials ausschlaggebend ist, sondern vielmehr das Zusammenspiel der druckempfindlichen Schicht mit den darüber oder darunterliegenden Schichten, in denen die Elektroden ausgebildet sind. Indem die Elektroden nicht nur zum Kontaktieren der Sensorzellen verwendet werden, sondern zusätzlich auch maßgeblich zu deren elektrischen Charakter beitragen, werden benachbarte Zellen durch die Isolierung zwischen den Elektroden voneinander vorteilhaft entkoppelt.In addition, by focusing primarily on the effect of variable contact resistance, the dependence of the sensor geometry on the pressure sensitive material can be reduced. In particular, the effect of crosstalk from one sensor cell to another sensor cell is advantageously minimized since it is not the volume resistivity of the pressure-sensitive material that is decisive, but rather the interplay of the pressure-sensitive layer with the layers above or below in which the electrodes are formed. Since the electrodes are not only used to contact the sensor cells, but also contribute significantly to their electrical character, adjacent cells are advantageously decoupled from one another by the insulation between the electrodes.

Erfindungsgemäß sind die einzelnen Schichten des Sensors, so miteinander fixiert, dass die Fixierung den druckempfindlichen Übergangswiderstand nicht beeinflusst. Dies ermöglicht es, dass für die Druckbestimmung vorteilhaft maßgeblich auf den veränderlichen Übergangswiderstand abgestellt werden kann. Die Fixierung der Schichten zueinander erfolgt hierfür außerhalb einer aktiven Fläche der Sensorzelle, so dass kein oder zumindest nur ein sehr geringer Druck durch die Fixierung auf die Zellen ausgeübt wird. Damit die Elektroden dennoch in Position gehalten werden, sind die Elektroden des Sensors als elektrische Bereiche einer zusammenhängenden Schicht ausgebildet und über einen nichtleitenden Bereich miteinander mechanisch verbunden. Die zusammenhängende Schicht und die mechanische Verbindung ermöglichen eine Fixierung der Elektroden in Bezug auf die druckempfindliche Schicht in dem nichtleitenden Bereich, also außerhalb des aktiven Bereichs der Sensorzellen, so dass die Elektroden durch die Fixierung nicht auf das darunterliegende druckempfindliche Material gepresst werden.According to the invention, the individual layers of the sensor are fixed to one another such that the fixing does not influence the pressure-sensitive contact resistance. This makes it possible for the determination of the pressure to be advantageously decisively adjusted to the variable contact resistance. The fixation of the layers to each other takes place for this purpose outside an active area of the sensor cell, so that no or at least only a very low pressure is exerted by the fixation on the cells. In order that the electrodes are still held in position, the electrodes of the sensor are formed as electrical regions of a coherent layer and mechanically connected to each other via a non-conductive region. The continuous layer and the mechanical connection allow the electrodes to be fixed with respect to the pressure-sensitive layer in the non-conductive region, ie outside the active region of the sensor cells, so that the electrodes are not pressed onto the underlying pressure-sensitive material by the fixation.

Die Fixierung ist zudem so ausgebildet, dass die einander zugewandten Oberflächen der ersten und dritten Schicht im Wesentlichen frei von einer Fixierung sind, also insbesondere keinen Klebstoff oder andere Bindemittel auf den besagten Oberflächen im aktiven Bereich einer Zelle aufweist, die den veränderlichen Übergangswiderstand beeinflussen können. Diese Ausgestaltung bewirkt somit das Gegenteil von dem, was in der eingangs genannten DE 10 2007 022 871 A1 beschrieben ist, wonach die Elektroden entweder durch Kleben oder Pressen an der druckempfindlichen Schicht befestigt werden, um eine definierte Kontaktfläche zwischen diesen zu erreichen und auf diese Weise einen veränderlichen Übergangswiderstand zu minimieren. Das heißt, im Gegensatz zu einem Sensor gemäß DE 2007 022 871 A1 , bei dem der veränderliche Übergangswiderstand gerade „ausgeklammert“ werden soll, soll gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Bestimmung der Druckverteilung maßgeblich auf diesen abgestellt werden, was durch die erfindungsgemäße Fixierung erreicht wird. The fixation is also designed so that the mutually facing surfaces of the first and third layer are substantially free of fixation, that is in particular has no adhesive or other binder on said surfaces in the active region of a cell, which may affect the variable contact resistance. This embodiment thus causes the opposite of what in the aforementioned DE 10 2007 022 871 A1 according to which the electrodes are attached to the pressure-sensitive layer either by gluing or pressing, in order to achieve a defined contact surface between them and in this way to minimize a variable contact resistance. That is, unlike a sensor according to DE 2007 022 871 A1 , in which the variable contact resistance is to be "excluded" straight, should be placed according to the present invention in the determination of the pressure distribution significantly on this, which is achieved by the fixation of the invention.

Bei einem erfindungsgemäßen Sensor wird die Druckverteilung maßgeblich aufgrund des veränderlichen Übergangswiderstands bestimmt, wobei die Fixierung dazu beiträgt, dass sich dieser veränderliche Übergangswiderstand ungehindert ausbilden kann. Da der veränderliche Übergangswiderstand empfindlicher auf eine Druckbelastung reagiert, können bereits leichte Drücke zuverlässig durch den neuen Sensor erkannt werden. Gleichzeitig kann die Zellengröße hinunter bis zu einer Ein-Garn-Elektrode skaliert werden, ohne dass Effekte von Übersprechen von Zellen eine Messung beeinflussen. Ebenso lassen sich die „blinden“ Bereiche des Sensors minimieren, da diese im Wesentlichen nur noch von der Isolierung der einzelnen Elektroden zueinander abhängig sind und nicht mehr von dem druckempfindlichen Material der Zwischenschicht bzw. deren Format. Die eingangs genannte Aufgabe ist damit vollständig gelöst.In a sensor according to the invention, the pressure distribution is largely determined by the variable contact resistance, wherein the fixation contributes to the fact that this variable contact resistance can form unhindered. Since the variable contact resistance is more sensitive to a pressure load, even slight pressures can be reliably detected by the new sensor. At the same time, the cell size can be scaled down to a single-yarn electrode without effects of cell crosstalk affecting a measurement. Likewise, the "blind" areas of the sensor can be minimized, since they are essentially only dependent on the isolation of the individual electrodes from one another and no longer on the pressure-sensitive material of the intermediate layer or its format. The object mentioned above is thus completely solved.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Schicht ein textiles Flächengebilde, in welches der erste und der zweite leitende Bereich mit leitfähigem Garn eingewoben sind. Die erste Schicht und vorzugsweise die zweite Schicht sind somit strukturell gleichartig zur dritten Schicht, so dass sich besonders vorteilhaft ein messbarer, veränderlicher Übergangswiderstand einstellt. Indem die erste Schicht ein textiles Flächengebilde, beispielsweise ein Webstoff ist, und die Elektroden durch leitfähiges Garn gebildet werden, kann zudem auf einfache Weise eine durchgängige Schicht erzeugt werden, in der sich isolierende Bereiche und leitende Bereiche abwechseln, ohne dass die Struktur, insbesondere die Oberfläche, sich maßgeblich ändert. Gleichzeitig kann durch die durchgängige Ausbildung der Schicht als ein einziges textiles Flächengebilde eine mechanische Kopplung des ersten elektrischen Bereichs und des zweiten elektrischen Bereichs über einen nichtleitenden Bereich auf einfache Weise erreicht werden. Die erfindungsgemäße Fixierung der Schichten kann so besonders einfach und kostengünstig erstellt werden.In an advantageous development, the first layer is a textile fabric in which the first and the second conductive region are woven with conductive yarn. The first layer and preferably the second layer are thus structurally similar to the third layer, so that particularly advantageously a measurable, variable contact resistance is established. Moreover, by forming the first layer of a textile fabric, for example a woven fabric, and forming the electrodes by conductive yarn, a continuous layer can be produced in a simple manner in which insulating regions and conductive regions alternate, without the structure, in particular the Surface, changes significantly. At the same time, a mechanical coupling of the first electrical region and the second electrical region over a non-conductive region can be achieved in a simple manner by the continuous formation of the layer as a single textile fabric. The fixation of the layers according to the invention can thus be created in a particularly simple and cost-effective manner.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das leitfähige, elastische Material der dritten Schicht ein Textil, insbesondere ein Microfasertuch, dem ein leitfähiges Additiv hinzugefügt ist. Diese Ausführung trägt vorteilhaft dazu bei, dass eine Druckbelastung maßgeblich über den veränderlichen Übergangswiderstand zwischen dem leitfähigen, elastischen Material der dritten Schicht und den Elektroden der ersten und zweiten Schicht bestimmt werden kann, da ein solches Microfasertuch eine besondere Oberfläche aufweist, die vorteilhaft mit textilartigen Elektroden zusammenwirken kann. Darüber hinaus kann eine solche Schicht einerseits flexibel und dünn ausgebildet sein und andererseits sehr robust gestaltet sein, womit sich besonders dünne Sensoren realisieren lassen, die gleichzeitig sehr robust sind.In a further advantageous development, the conductive, elastic material of the third layer is a textile, in particular a microfiber cloth, to which a conductive additive has been added. This embodiment advantageously contributes to the fact that a compressive load can be decisively determined via the variable contact resistance between the conductive, elastic material of the third layer and the electrodes of the first and second layer, since such a microfiber cloth has a special surface which is advantageous with textile-like electrodes can interact. In addition, such a layer may on the one hand be designed to be flexible and thin and, on the other hand, be made very robust, which makes it possible to realize particularly thin sensors which are at the same time very robust.

Insbesondere ist das Additiv ein kohlenstoffbasiertes Additiv oder ein metallisches Additiv. Diese haben den Vorteil, dass die Leitfähigkeit der dritten Schicht so erhöht werden kann, dass der Durchgangswiderstand durch die dritte Schicht im Wesentlichen gegenüber dem Übergangswiderstand vernachlässigbar wird. Gleichzeitig verändert ein solches Additiv nicht die elastische Eigenschaft des Materials, welche maßgeblich für den Übergangswiderstand und insbesondere die Änderung des Übergangswiderstands bei Druckbelastung ist. Die Ausgestaltung trägt somit vorteilhaft dazu bei, dass die Empfindlichkeit des Sensors verbessert werden kann.In particular, the additive is a carbon-based additive or a metallic additive. These have the advantage that the conductivity of the third layer can be increased so that the volume resistance through the third layer is substantially negligible compared to the contact resistance. At the same time, such an additive does not change the elastic property of the material, which is decisive for the contact resistance and in particular the change of the contact resistance during pressure loading. The design thus contributes advantageously to the fact that the sensitivity of the sensor can be improved.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Fixierung eine Laminierung und/oder weist mindestens eine Naht auf. Eine Laminierung oder eine Naht sind besonders geeignet als Fixierung, um einen erfindungsgemäßen Sensor zu realisieren. Gegenüber Kleben oder anderen Fixierungsmitteln können diese Fixierungen so gestaltet werden, dass sie die Schichten fixieren, ohne maßgeblichen Einfluss auf den veränderlichen Übergangswiderstand zu haben. Darüber hinaus sind Nähte sehr gut maschinell herstellbar und damit kostengünstig. Ebenso ist das Laminieren eine kostengünstige Möglichkeit der Fixierung, die gleichzeitig den Sensor vor äußeren Einflüssen schützen kann.In a further advantageous development, the fixation is a lamination and / or has at least one seam. A lamination or a seam are particularly suitable as a fixation in order to realize a sensor according to the invention. Compared to gluing or other fixatives, these fixations can be designed so that they fix the layers without having a significant influence on the variable contact resistance. In addition, seams are very easy to produce by machine and thus cost. Likewise, lamination is a cost effective way of fixing, which can protect the sensor from external influences at the same time.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Fixierung mindestens eine Naht auf, die ausgebildet ist, die erste und dritte Schicht miteinander zu verbinden, wobei sich diese entlang des nichtleitenden Bereichs der ersten Schicht erstreckt. Indem sich die Naht entlang des nichtleitenden Bereichs der ersten Schicht erstreckt und der nichtleitende Bereich mit dem ersten und zweiten leitenden Bereich mechanisch gekoppelt ist, kann eine besonders einfache und kostengünstige Fixierung des ersten und zweiten elektrischen Bereichs in Bezug zur zweiten und dritten Schicht erreicht werden. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Naht ferner dazu ausgebildet, die zweite Schicht mit der ersten und dritten Schicht zu verbinden und sich entlang des nichtleitenden Bereichs der ersten Schicht und durch den dritten leitenden Bereich der zweiten Schicht zu erstrecken. Auf diese Weise können somit alle drei Schichten über eine einzelne Naht miteinander verbunden und eine Fixierung aller Schichten zueinander erreicht werden. Dies ermöglicht einen besonders günstigen Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors, der sich leicht maschinell fertigen lässt.In a further advantageous development, the fixation has at least one seam which is designed to connect the first and third layers to one another, wherein the latter extends along the non-conductive region of the first layer. As the seam extends along the non-conducting region of the first layer and the Non-conductive region is mechanically coupled to the first and second conductive region, a particularly simple and inexpensive fixation of the first and second electrical region with respect to the second and third layer can be achieved. In a particularly advantageous embodiment, the seam is further configured to connect the second layer to the first and third layers and to extend along the non-conductive region of the first layer and through the third conductive region of the second layer. In this way, all three layers can thus be connected to one another via a single seam and a fixation of all layers to one another can be achieved. This allows a particularly favorable structure of the sensor according to the invention, which can be easily manufactured by machine.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Fixierung eine Laminierung mit mindestens einem Folienstück, welches eine von der dritten Schicht abgewandte Oberfläche der ersten Schicht bedeckt und sich über die erste, zweite und dritte Schicht (12, 14, 16) hinaus erstreckt. In dieser Ausgestaltung ist die Sensoranordnung somit laminiert, wodurch sich eine erfindungsgemäße Fixierung ergeben kann. Eine Laminierung hat den Vorteil, dass neben der Fixierung der Schichten außerhalb der aktiven Flächen die Sensoranordnung auch gleichzeitig geschützt, vorzugsweise wasserdicht, verpackt ist. Damit ist ein besonders robuster Aufbau der neuen Sensoranordnung möglich.In a further advantageous development, the fixing is a lamination with at least one piece of film which covers a surface of the first layer facing away from the third layer and extends beyond the first, second and third layers (12, 14, 16). In this embodiment, the sensor arrangement is thus laminated, which may result in a fixation according to the invention. A lamination has the advantage that in addition to the fixing of the layers outside the active surfaces, the sensor assembly is also protected at the same time, preferably waterproof, packaged. This makes a particularly robust construction of the new sensor arrangement possible.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und die zweite Schicht ein textiles Flächengebilde, in welches der erste, zweite und dritte leitende Bereich mittels leitfähigen Garns eingewoben sind. In dieser Ausgestaltung ist somit die zweite Schicht gleichartig zur ersten Schicht ausgebildet. Besonders vorteilhaft können somit die erste und die zweite Schicht aus dem gleichen Material und besonders vorteilhaft aus ein und demselben Werkstück gewonnen werden. Dies ermöglicht eine besonders günstige Fertigung des Sensors.In a further advantageous development, the first and the second layer are a textile fabric into which the first, second and third conductive regions are woven by means of conductive yarn. In this embodiment, therefore, the second layer is formed similar to the first layer. Thus, particularly advantageously, the first and the second layer can be obtained from the same material and particularly advantageously from one and the same workpiece. This allows a particularly favorable production of the sensor.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das leitfähige, elastische Material einen Durchgangswiderstand auf, der so ausgebildet ist, dass er sich linear zu einer angelegten Spannung verhält, wenn sich die angelegte Spannung im Bereich von 0V bis 5V ändert. In dieser Ausgestaltung zeigt die dritte Schicht somit ohmsches Verhalten über einen definierten Spannungsbereich, wodurch eine Auswertung besonders gut möglich ist. Insbesondere kann bei ohmschen Verhalten der Durchgangswiderstand in Bezug zum veränderlichen Übergangswiderstand erfasst werden.In a further advantageous development, the conductive, elastic material has a contact resistance which is designed such that it behaves linearly with respect to an applied voltage when the applied voltage changes in the range from 0V to 5V. In this embodiment, the third layer thus shows ohmic behavior over a defined voltage range, whereby an evaluation is particularly well possible. In particular, with ohmic behavior, the volume resistance with respect to the variable contact resistance can be detected.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das leitfähige, elastische Material einen Temperaturänderungskoeffizienten zwischen 0,75 und 1,25 auf, wobei der Temperaturänderungskoeffizient ein Faktor ist, der die maximale Stromänderung bei Erwärmung auf 70° Celsius und Abkühlung auf -20° Celsius beschreibt. Bei der Verwendung eines solchen elastischen Materials kann der Durchgangswiderstand über einen vorteilhaften Einsatzbereich gegenüber dem veränderlichen Übergangswiderstand eindeutig bestimmt werden.In a further advantageous embodiment, the conductive, elastic material has a temperature change coefficient between 0.75 and 1.25, wherein the temperature change coefficient is a factor that describes the maximum current change when heated to 70 ° Celsius and cooled to -20 ° Celsius. With the use of such an elastic material, the volume resistivity can be unambiguously determined over a favorable range of use with respect to the variable contact resistance.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung überlappt der dritte elektrisch leitende Bereich der zweiten Schicht den ersten und zweiten elektrischen Bereich sowie den elektrisch nichtleitenden Bereich der ersten Schicht und definiert einen Bereich, in dem die dritte Schicht in Bezug zur ersten und zweiten Schicht eine ununterbrochene, geschlossene Oberfläche aufweist. Bei dieser Ausgestaltung ist die dritte Schicht somit eine durchgängige und insbesondere geschlossene Schicht. Das heißt, die dritte Schicht kann in einem Stück in den Sensor eingelegt werden, ohne dass weitere Bearbeitungsschritte an der Schicht notwendig sind. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Ausgestaltung der neuen Sensoranordnung.In a further advantageous development, the third electrically conductive region of the second layer overlaps the first and second electrical region and the electrically non-conductive region of the first layer and defines a region in which the third layer has a continuous, closed surface with respect to the first and second layer having. In this embodiment, the third layer is thus a continuous and in particular closed layer. That is, the third layer can be inserted in one piece in the sensor, without further processing steps on the layer are necessary. This allows a particularly cost-effective design of the new sensor arrangement.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Fixierung ferner so ausgebildet, dass die erste, zweite und dritte Schicht im aktiven Bereich unbelastet aufeinanderliegen und die einander zugewandten Oberflächen der ersten, zweiten und dritten Schicht im Wesentlichen frei von einer Fixierung sind. In dieser Ausgestaltung ist die Fixierung somit auch für die zweite Schicht analog ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Übergangswiderstände an beiden Schichtübergängen vorteilhaft genutzt werden können, wodurch das angewandte Messprinzip noch weiter begünstigt wird.In a further advantageous embodiment, the fixation is further formed so that the first, second and third layers are superimposed on each other in the active area unloaded and the mutually facing surfaces of the first, second and third layer are substantially free of a fixation. In this embodiment, the fixation is thus also designed analogously for the second layer. This has the advantage that the contact resistances at both layer transitions can be used advantageously, whereby the applied measuring principle is further promoted.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen mehrschichtigen Sensoranordnung,
2 ein Ausführungsbeispiel der ersten oder zweiten Schicht einer neuen Sensoranordnung,
3 ein Ausführungsbeispiel der dritten Schicht der neuen Sensoranordnung,
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Sensoranordnung mit vier Sensorzellen,
5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Messschaltung eines Ausführungsbeispiels der neuen Sensoranordnung,
6 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips der neuen Sensoranordnung,
7 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der neuen Sensoranordnung, und
8 eine schematische Darstellung zweier Anwendungsfälle, in denen ein Ausführungsbeispiel der neuen Sensoranordnung verwendet wird.

Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:

1 a schematic representation of an embodiment of the new multilayer sensor arrangement,
2 an embodiment of the first or second layer of a new sensor arrangement,
3 an embodiment of the third layer of the new sensor arrangement,
4 1 is a schematic representation of an embodiment of the new sensor arrangement with four sensor cells,
5 a simplified schematic representation of a measuring circuit of an embodiment of the new sensor arrangement,
6 a schematic representation of the principle of action of the new sensor arrangement,
7 a plan view of an embodiment of the new sensor arrangement, and
8th a schematic representation of two applications, in which an embodiment of the new sensor arrangement is used.

Gleiche Bezugszeichen in den jeweiligen Figuren bezeichnen gleiche Teile.Like reference numerals in the respective figures indicate like parts.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der neuen Sensoranordnung, die hier in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the new sensor arrangement, here in its entirety by the reference numeral 10 is designated.

Die neue Sensoranordnung 10 umfasst eine erste Schicht 12, eine zweite Schicht 14 und eine zwischen der ersten und zweiten Schicht liegende dritte Schicht 16. Die erste, zweite und dritte Schicht 12, 14, 16 sind flächige Gebilde, die bündig einen druckempfindlichen Sensor mit mindestens zwei Sensorzellen (hier nicht einzeln dargestellt) bilden.The new sensor arrangement 10 includes a first layer 12 , a second layer 14 and a third layer interposed between the first and second layers 16 , The first, second and third layers 12 . 14 . 16 are flat structures that form flush a pressure-sensitive sensor with at least two sensor cells (not shown here individually).

Die erste, zweite und dritte Schicht 12, 14, 16 erstrecken sich folglich im Wesentlichen in der Fläche und sind tuch- bzw. folienartig ausgebildet. Die flexible Eigenschaft der einzelnen Schichten bleibt vorzugsweise auch nach dem Zusammenlegen erhalten, so dass die Sensoranordnung 10 insgesamt eine flexible Einheit ist, die sich ähnlich wie eine Stoffbahn zusammenrollen und verarbeiten lässt. Neben den drei für den druckempfindlichen Sensor wesentlichen Schichten können weitere Schichten vorgesehen sein, wie beispielsweise eine oberhalb und unterhalb angeordnete Schicht aus wasserundurchlässigem Material, mittels derer die drei Schichten 12, 14, 16 wasserdicht versiegelt werden können.The first, second and third layers 12 . 14 . 16 consequently extend substantially in the surface and are formed like a cloth or foil. The flexible property of the individual layers preferably also remains after folding, so that the sensor arrangement 10 Overall, it is a flexible unit that can be rolled up and processed like a fabric. In addition to the three layers essential for the pressure-sensitive sensor, further layers may be provided, such as a layer of water-impermeable material arranged above and below, by means of which the three layers 12 . 14 . 16 can be sealed watertight.

Die einzelnen Schichten 12, 14, 16 können in bevorzugten Ausführungsbeispielen wenige Millimeter dick sein, vorzugsweise zwischen 0,5 mm bis 1,5 mm. In der Fläche kann die Sensoranordnung 10 hingegen nahezu beliebig von einigen Quadratzentimetern bis hin zu einigen Quadratmetern ausgedehnt sein. Wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, sind die drei Schichten der Sensoranordnung 10 so ausgebildet, dass eine mechanische Belastung auf die Oberfläche 18 der Sensoranordnung 10 registriert werden kann. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann neben der Bestimmung einer Belastung zusätzlich deren Stärke und insbesondere deren Position auf der Oberfläche 18 der Sensoranordnung 10 bestimmt werden. Hierfür sind die erste, zweite und dritte Schicht 12, 14, 16, wie nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 näher erläutert, speziell ausgebildet.The individual layers 12 . 14 . 16 may in preferred embodiments be a few millimeters thick, preferably between 0.5 mm to 1.5 mm. In the area, the sensor arrangement 10 however, it can be extended almost arbitrarily from a few square centimeters to a few square meters. As will be explained in more detail below, the three layers of the sensor arrangement 10 designed so that a mechanical load on the surface 18 the sensor arrangement 10 can be registered. In preferred embodiments, in addition to the determination of a load additionally their strength and in particular their position on the surface 18 the sensor arrangement 10 be determined. This is the first, second and third layer 12 . 14 . 16 as below with reference to the figures 2 and 3 explained in more detail, specially trained.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer ersten Schicht 12 der neuen Sensoranordnung 10. Die Schicht 12 ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein textiles Flächengebilde, in welches elektrische Strukturen eingearbeitet sind. Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Schicht 12 um ein Gewebe, in das durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Fäden und elektrisch nichtleitfähigen Fäden eine elektrische Struktur eingearbeitet ist. Wie in der 2 gezeigt, wechseln hier elektrisch leitende Bereiche 20 und elektrisch nichtleitende Bereiche 22 einander ab. Bei den elektrisch leitenden Bereichen 20 sind hier beim Weben die Schussfäden aus elektrisch leitfähigem Garn, während in den nichtleitenden Bereichen 22 gewöhnliches nichtleitendes Garn als Schussfäden verwendet wird, wodurch das hier dargestellte streifenartige Muster entsteht. Die Breite der streifenartigen elektrischen leitenden Bereiche 20 und die Breite der streifenartigen elektrisch nichtleitenden Bereiche bestimmt, wie im Nachfolgenden noch näher erläutert ist, die Größe und Geometrie einer Sensorzelle, und somit die Auflösung des druckempfindlichen Sensors. Während hier die leitenden und nichtleitenden Bereiche jeweils die gleiche Breite besitzen, kann in anderen Ausführungsbeispielen die Breite über die Fläche der ersten Schicht 12 auch variieren. Dies hat den Vorteil, dass die Auflösung des Sensors an die jeweilige Anforderung angepasst werden kann. 2 shows an embodiment of a first layer 12 the new sensor assembly 10. The layer 12 is in this preferred embodiment, a fabric, in which electrical structures are incorporated. Preferably, the first layer is 12 to a fabric in which an electrical structure is incorporated by the use of electrically conductive threads and electrically non-conductive threads. Like in the 2 shown, electrically conductive areas change here 20 and electrically non-conductive areas 22 off each other. In the case of the electrically conductive regions 20, the weft threads are made of electrically conductive yarn during weaving, while in the non-conductive regions 22 ordinary non-conductive yarn is used as weft threads, whereby the strip-like pattern shown here arises. The width of the strip-like electrical conductive areas 20 and the width of the strip-like electrically non-conductive regions determines, as will be explained in more detail below, the size and geometry of a sensor cell, and thus the resolution of the pressure-sensitive sensor. While here the conductive and non-conductive regions each have the same width, in other embodiments, the width across the surface of the first layer 12 also vary. This has the advantage that the resolution of the sensor can be adapted to the respective requirement.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht 14 gleichartig zur ersten Schicht 12 ausgebildet. Das heißt, die erste und die zweiten Schicht 12, 14 können aus ein und demselben Werkstück gewonnen werden. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige und effiziente Herstellung der neuen Sensoranordnung. Das Werkstück wird dazu in zwei gleich große Teil geteilt, die verdreht zueinander, vorzugweise um 90°, übereinandergelegt werden, wobei zwischen die erste und zweite Schicht noch die dritte Schicht platziert wird, die im Folgenden mit Bezug auf die 3 beschrieben wird.In preferred embodiments, the second layer is 14 similar to the first layer 12 educated. That is, the first and second layers 12 . 14 can be obtained from one and the same workpiece. This allows a particularly cost-effective and efficient production of the new sensor arrangement. The workpiece is divided into two equal parts, which are twisted to each other, preferably by 90 °, superimposed, wherein between the first and second layer still the third layer is placed, which in the following with reference to the 3 is described.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer dritten Schicht 16 der neuen Sensoranordnung 10. Die dritte Schicht ist aus einem druckempfindlichen, leitfähigen Material 24 gebildet und zwischen der ersten Schicht 12 und der zweiten Schicht 14 angeordnet. Das druckempfindliche Material 24 hat einen spezifischen Durchgangswiderstand, der sich bei mechanischer Belastung ändert. Insbesondere ist das druckempfindliche Material 24 elastisch, so dass es nach einer mechanischen Belastung wieder seine ursprüngliche Form einnimmt. 3 shows an embodiment of a third layer 16 the new sensor assembly 10. The third layer is of a pressure-sensitive, conductive material 24 formed and between the first layer 12 and the second layer 14 arranged. The pressure-sensitive material 24 has a volume resistivity that changes with mechanical load. In particular, the pressure-sensitive material 24 elastic, so that it resumes its original shape after a mechanical load.

Die dritte Schicht 16 ist vorzugsweise aus nicht gewobenem, leitfähigem Stoff. Besonders bevorzugt ist die dritte Schicht ein nicht gewobenes Microfasertuch 26, dessen Fasern mit einer leitfähigen Beschichtung überzogen sind. Die Beschichtung kann beispielsweise eine kohlenstoffbasierte Beschichtung oder eine metallische Beschichtung sein. Durch die Beschichtung wird die dritte Schicht leitfähig. Die Oberfläche der dritten Schicht ist vorzugsweise rau. Insbesondere ist die Oberfläche der dritten Schicht auf die Oberfläche der ersten und zweiten Schicht abgestimmt, so dass beim Aufeinanderdrücken ein Übergangswiderstand zwischen den Oberflächen minimiert wird. Sobald die Belastung wieder entfernt wird, lösen sich die Oberflächen wieder voneinander, so dass sich der ursprüngliche Übergangswiderstand einstellt. Eine Hysterese ist dabei möglichst gering.The third layer 16 is preferably made of nonwoven, conductive fabric. Especially Preferably, the third layer is a non-woven microfiber cloth 26 whose fibers are coated with a conductive coating. The coating may be, for example, a carbon-based coating or a metallic coating. The coating makes the third layer conductive. The surface of the third layer is preferably rough. In particular, the surface of the third layer is tuned to the surface of the first and second layers, so that when pressed together a contact resistance between the surfaces is minimized. As soon as the load is removed again, the surfaces separate again, so that the original contact resistance is established. A hysteresis is as low as possible.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die dritte Schicht 16 am Stück zwischen die erste und die zweite Schicht 12, 14 gelegt. Das heißt, die dritte Schicht 16 hat eine durchgängige und insbesondere geschlossene Oberfläche, die sich homogen zwischen der ersten und der zweiten Schicht erstreckt. Vorteilhafterweise muss die dritte Schicht für die Bildung einzelner Sensorzellen somit nicht gesondert angepasst werden, wie in Bezug auf die folgende Fig. 4 näher erläutert ist.In a preferred embodiment, the third layer becomes 16 in one piece between the first and the second layer 12 . 14 placed. That is, the third layer 16 has a continuous and in particular closed surface, which extends homogeneously between the first and the second layer. Advantageously, therefore, the third layer for the formation of individual sensor cells need not be adapted separately, as explained in more detail in relation to the following FIG. 4.

4 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der neuen Sensoranordnung 10 mit einer ersten Schicht 12 und einer zweiten Schicht 14. Zur besseren Darstellung wurde bei dieser Sensoranordnung 10 die dritte Schicht, welche zwischen der ersten Schicht 12 und der zweiten Schicht 14 angeordnet ist, weggelassen. 4 shows a simplified embodiment of the new sensor arrangement 10 with a first layer 12 and a second layer 14 , For better illustration was in this sensor arrangement 10 the third layer, which is between the first layer 12 and the second layer 14 is arranged, omitted.

Die erste Schicht 12 weist einen ersten elektrisch leitenden Bereich 20 sowie einen zweiten elektrisch leitenden Bereich 28 auf. Zwischen dem ersten elektrisch leitenden Bereich 20 und dem zweiten elektrisch leitenden Bereich 28 ist ein elektrisch nichtleitender Bereich 22 angeordnet. Der erste elektrisch leitende Bereich 20 und der zweite elektrisch leitende Bereich 28 sind zusammen mit dem nichtleitenden Bereich 22 aus einem Werkstück gebildet, so dass die elektrisch leitenden Bereiche 20, 28 und der elektrisch nichtleitende Bereich 22 mechanisch zusammenhängen. Vorzugsweise sind, wie in Bezug auf die 2 erläutert, die elektrisch leitende Bereiche 20, 28 und der elektrisch nichtleitende Bereich durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Fäden und elektrisch nichtleitfähigen Fäden in einen Webstoff eingearbeitet.The first shift 12 has a first electrically conductive region 20 and a second electrically conductive region 28 on. Between the first electrically conductive area 20 and the second electrically conductive region 28 is an electrically non-conductive area 22 arranged. The first electrically conductive area 20 and the second electrically conductive region 28 are together with the non-conductive area 22 formed from a workpiece, so that the electrically conductive areas 20 . 28 and the electrically non-conductive area 22 mechanically related. Preferably, as with respect to 2 explains the electrically conductive areas 20 . 28 and the electrically non-conductive region is incorporated into a woven fabric through the use of electrically conductive filaments and electrically non-conductive filaments.

Die zweite Schicht 14 ist analog zu ersten Schicht 12 ausgebildet. Die zweite Schicht 14 weist hier einen dritten elektrisch leitenden Bereich 30 und einen vierten leitenden Bereich 32 auf. Der dritte und vierte elektrisch leitende Bereich sind durch einen weiteren nichtleitenden Bereich 34 voneinander getrennt. Die erste Schicht 12 und die zweite Schicht 14 sind in diesem Ausführungsbeispiel um 90° gedreht und erzeugen vier Sensorzellen. In den Bereichen, in denen sich die elektrisch leitenden Bereiche 20, 28, 30, 32 überlappen, sind Sensorzellen A, B, C, D der Sensoranordnung 10 ausgebildet.The second layer 14 is analogous to the first layer 12 educated. The second layer 14 here has a third electrically conductive area 30 and a fourth conductive region 32. The third and fourth electrically conductive regions are through another non-conductive region 34 separated from each other. The first shift 12 and the second layer 14 are rotated by 90 ° in this embodiment and generate four sensor cells. In the areas where the electrically conductive areas 20 . 28 . 30 . 32 overlap, are sensor cells A, B, C, D of the sensor array 10 educated.

Eine Sensorzelle A, B, C, D umfasst folglich immer einen elektrisch leitenden Bereich 20, 28 der ersten Schicht 12 und einen elektrisch leitenden Bereich 30, 32 der zweiten Schicht 14 sowie das druckempfindliche Material 24 der dritten Schicht, welches sich homogen zwischen der ersten Schicht 12 und der zweiten Schicht 14 erstreckt.Consequently, a sensor cell A, B, C, D always comprises an electrically conductive region 20 , 28 of the first layer 12 and an electrically conductive region 30 . 32 the second layer 14 and the pressure-sensitive material 24 the third layer, which is homogeneous between the first layer 12 and the second layer 14 extends.

Die durch die Überlappungsbereiche gebildeten Sensorzellen definieren an der Sensoroberfläche 18 aktive Bereiche 36, an denen eine Druckbelastung auf die Sensoranordnung 10 bestimmt werden kann. Die aktiven Bereiche 36 sind in diesem Ausführungsbeispiel quadratische Felder, die durch die nichtleitenden Bereiche 22, 34 voneinander beabstandet sind. Vorzugsweise sind die nichtleitenden Bereiche 22, 34 im Verhältnis klein gegenüber den aktiven Bereichen 36, so dass die Bereiche, in denen eine Druckbestimmung nicht möglich ist, möglichst gering sind. Vorzugsweise bilden die aktiven Bereiche eine nahezu geschlossene Oberfläche, über die eine Druckverteilung bestimmt werden kann. Dies ist aufgrund des besonderen Wirkprinzips möglich, welches ein Übersprechen von einer Zelle zu einer benachbarten Zelle auch bei eng aneinander angeordneten Zellen verhindert. Das Wirkprinzip zur Bestimmung der Druckverteilung über die Sensoroberfläche 18 wird im Folgenden mit Bezug auf die Figur 5 näher erläutert.The sensor cells formed by the overlapping regions define at the sensor surface 18 active areas 36 in which a pressure load on the sensor assembly 10 can be determined. The active areas 36 in this embodiment are square fields passing through the non-conductive areas 22 . 34 spaced apart from each other. Preferably, the non-conductive regions 22 . 34 relatively small compared to the active areas 36 , so that the areas in which a pressure determination is not possible, are as small as possible. The active regions preferably form a virtually closed surface, via which a pressure distribution can be determined. This is possible due to the special mode of action, which prevents crosstalk from one cell to an adjacent cell, even with cells arranged close to each other. The operating principle for determining the pressure distribution across the sensor surface 18 will be described below with reference to the figure 5 explained in more detail.

5 zeigt ein Ersatzschaltbild der neuen Sensoranordnung 10. Die Sensoranordnung 10 weist hier insgesamt sechzehn Sensorzellen auf, die schematisch durch ihren jeweiligen elektrischen Widerstand 38 angedeutet sind. Über erste Elektroden 40 und zweite Elektroden 42 sind die Sensorzellen einzeln kontaktierbar und deren elektrischer Widerstand 38 bestimmbar. Die ersten und zweiten Elektroden 40, 42 werden hierzu paarweise mit einer Auswerteelektronik 43 verbunden, beispielsweise über zwischengeschaltete Multiplexer (hier nicht dargestellt). Die Auswerteelektronik 43 ist dazu eingerichtet, den elektrischen Widerstand 38 einer Sensorzelle zu bestimmen. Eine einfache Auswerteelektronik kann beispielsweise den Spannungsabfall zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 40, 42 bestimmen und daraus auf den jeweiligen elektrischen Widerstand 38 der momentan kontaktierten Sensorzelle schließen. Es versteht sich, dass die Auswerteelektronik 43 auch aufwendiger als hier dargestellt ausgebildet sein kann, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers oder einer Signalverarbeitungseinheit, die eine komplexe Signalverarbeitung erlauben. 5 shows an equivalent circuit diagram of the new sensor arrangement 10 , The sensor arrangement 10 here has a total of sixteen sensor cells, which schematically by their respective electrical resistance 38 are indicated. About first electrodes 40 and second electrodes 42 the sensor cells can be contacted individually and their electrical resistance 38 can be determined. The first and second electrodes 40 . 42 in pairs with evaluation electronics 43 connected, for example via intermediate multiplexer (not shown here). The evaluation electronics 43 is designed to withstand the electrical resistance 38 to determine a sensor cell. A simple transmitter can for example determine the voltage drop between the first and the second electrode 40, 42 and from this to the respective electrical resistance 38 Close the currently contacted sensor cell. It is understood that the transmitter 43 can also be designed more complex than shown here, for example in the form of a microcontroller or a signal processing unit, which allow complex signal processing.

Die Sensorzelle A, B, C, D der Sensoranordnung 10 sind wie zuvor beschrieben ausgebildet, bei einer Druckbelastung ihren elektrischen Widerstand 38 zu ändern. Somit kann durch die Bestimmung des elektrischen Widerstands 38 einer Sensorzelle unmittelbar auf die jeweilige Druckbelastung der Zelle geschlossen werden. Indem nacheinander für alle Sensorzellen entsprechende Werte bestimmt werden, kann eine Druckverteilung über die Sensorfläche 18 der Sensoranordnung 10 ermittelt werden. The sensor cell A, B, C, D of the sensor arrangement 10 are formed as described above, at a pressure load their electrical resistance 38 to change. Thus, by determining the electrical resistance 38 a sensor cell are closed directly to the respective pressure load of the cell. By successively determining values for all sensor cells, a pressure distribution over the sensor surface 18 the sensor arrangement 10 be determined.

Der elektrische Widerstand 38 umfasst dabei mehrere einzelne den Gesamtwiderstand bildende Komponenten. Von Bedeutung sind dabei insbesondere der druckveränderliche Durchgangswiderstand der dritten Schicht sowie der druckveränderliche Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und der dritten Schicht.The electrical resistance 38 includes several individual components forming the total resistance. Of particular importance are the pressure-variable volume resistance of the third layer and the pressure-variable contact resistance between the electrodes and the third layer.

Während bei Drucksensoren aus dem Stand der Technik der elektrische Widerstand 38 einer Sensorzelle im Wesentlichen von dem unter Druck veränderlichen Durchgangswiderstand abhängt, hängt der elektrische Widerstand 38 gemäß der neuen Sensoranordnung 10 vorzugsweise sowohl von dem druckempfindlichen Material 24 der dritten Schicht, also dem druckveränderlichen Durchgangswiderstand, als auch von dem druckveränderlichen Übergangswiderstand ab, der sich aus dem Zusammenwirken der ersten und zweiten Elektroden einer Sensorzelle und dem dazwischen befindlichen Material ergibt.While in pressure sensors of the prior art, the electrical resistance 38 A sensor cell depends essentially on the pressure variable volume resistance, the electrical resistance depends 38 according to the new sensor arrangement 10 preferably both of the pressure-sensitive material 24 the third layer, so the pressure-variable volume resistance, as well as the pressure-variable contact resistance, which results from the interaction of the first and second electrodes of a sensor cell and the material therebetween.

Insbesondere wird bei erfindungsgemäßen Sensoren primär auf den druckveränderlichen Widerstand abgestellt, da sich herausgestellt hat, dass dieser bei entsprechenden Geometrien des Sensors aussagekräftiger ist als der druckveränderliche Durchgangswiderstand. Denkbar wäre somit auch, dass ausschließlich auf den druckveränderlichen Übergangswiderstand abgestellt wird und die Effekte der weiteren Komponenten des elektrischen Widerstands 38 entweder durch eine entsprechende elektrische Schaltung kompensiert oder rechentechnisch bei der Auswertung beseitigt werden. Hierfür ist insbesondere eine genaue Kenntnis der elektrischen Eigenschaften der dritten Schicht notwendig, die daher vorteilhafterweise aus einem Material gefertigt ist, das annährend lineares, also ohmsches, Verhalten zeigt.In particular, with sensors according to the invention, the focus is primarily on the pressure-variable resistor, since it has been found that this is more meaningful in the case of corresponding geometries of the sensor than the pressure-variable volume resistance. It would thus also be conceivable to focus exclusively on the pressure-variable contact resistance and the effects of the other components of the electrical resistance 38 either compensated by a corresponding electrical circuit or computationally eliminated in the evaluation. For this purpose, in particular an exact knowledge of the electrical properties of the third layer is necessary, which is therefore advantageously made of a material that shows approximately linear, so ohmic, behavior.

Mit Bezug auf die 6 wird im Folgenden das Wirkprinzip in Bezug auf den druckveränderlichen Übergangswiderstand näher erläutert.With reference to the 6 In the following, the mode of action is explained in more detail with respect to the pressure-variable contact resistance.

6 zeigt eine Zelle der neuen Sensoranordnung 10 in einer Querschnittsdarstellung (links) sowie ein entsprechendes elektrisches Ersatzschaltbild (rechts). Die Sensorzelle ist aus einer ersten Schicht 12, einer zweiten Schicht 14 und einer dritten Schicht 16 gebildet. Die Schichten 12, 14, 16 liegen im Wesentlichen frei aufeinander, wobei zumindest die erste Schicht 12 und die dritte Schicht 16 aus elastischem Material gebildet sind. 6 shows a cell of the new sensor arrangement 10 in a cross-sectional representation (left) and a corresponding electrical equivalent circuit diagram (right). The sensor cell is made of a first layer 12 , a second layer 14 and a third layer 16 educated. The layers 12 . 14 . 16 are substantially free of each other, wherein at least the first layer 12 and the third layer 16 are formed of elastic material.

Vorzugsweise ist darüber hinaus auch die zweite Schicht 14 analog zur ersten Schicht 12 ausgebildet.Preferably, moreover, the second layer is also 14 analogous to the first layer 12 educated.

Das druckempfindliche Material 24 der dritten Schicht 16 weist einen spezifischen druckveränderlichen Durchgangswiderstand 46 auf. Der Durchgangswiderstand 46 ist für alle Sensorzellen im unbelasteten Zustand gleich. Vorzugsweise ist der Durchgangswiderstand 46 linear über einen definierten Spannungsbereich. Mit anderen Worten das leitfähige, elastische Material 24 der dritten Schicht 16 zeigt über einen definierten Spannungsbereich, insbesondere im Spannungsbereich von 0V bis 5V, ohmsches Verhalten. Der Durchgangswiderstand 46 ist somit vorzugsweise messtechnisch eindeutig bestimmbar.The pressure-sensitive material 24 the third layer 16 has a specific pressure-variable volume resistance 46 on. The volume resistance 46 is the same for all sensor cells in the unloaded state. Preferably, the volume resistance 46 linear over a defined voltage range. In other words, the conductive, elastic material 24 the third layer 16 shows ohmic behavior over a defined voltage range, in particular in the voltage range from 0V to 5V. The volume resistance 46 is thus preferably uniquely determined metrologically.

In Serie zum Durchgangswiderstand 46 bildet sich zwischen der Oberfläche 48 der ersten Schicht 12 und der Oberfläche 50 ein Übergangswiderstand 52 aus. Der Übergangswiderstand 52 ist ebenfalls druckveränderlich und ändert sich wie der Durchgangswiderstand 46 in Abhängigkeit der Druckbelastung der Sensorzelle. Das heißt, die Oberfläche 48 der ersten Schicht und die Oberfläche 50 der dritten Schicht 16 sind so ausgebildet, dass sie bei einer Druckbelastung zusammenwirken, beispielsweise indem sie ineinandergreifen, wodurch die Kontaktfläche zwischen den beiden Schichten vergrößert wird und sich der Übergangswiderstand 52 verkleinert. Der druckveränderliche Übergangswiderstand 52 kann für alle Sensorzellen im unbelasteten Zustand gleich. Alternative kann in Abhängigkeit der Geometrie einer Sensorzelle der druckveränderliche Übergangswiderstand 52 im unbelasteten Zustand auch individuell für eine Zelle eingestellt sein. Eine Auswertung muss entsprechend angepasst werden.In series with the volume resistance 46 forms between the surface 48 the first layer 12 and the surface 50 a contact resistance 52 out. The contact resistance 52 is also pressure variable and changes like the volume resistance 46 depending on the pressure load of the sensor cell. That is, the surface 48 of the first layer and the surface 50 the third layer 16 are designed to cooperate under a compressive load, for example, by engaging each other, thereby increasing the contact area between the two layers and increasing the contact resistance 52 reduced. The pressure-variable contact resistance 52 can be the same for all sensor cells in the unloaded state. Alternatively, depending on the geometry of a sensor cell, the pressure-variable contact resistance 52 be set individually for a cell in the unloaded state. An evaluation must be adjusted accordingly.

Sowohl der Durchgangswiderstand 46 als auch der Übergangswiderstand 52 sind so ausgebildet, dass, sobald eine Zelle nicht mehr belastet wird, diese ihre ursprünglichen Werte einnehmen bei möglichst geringer Hysterese. Beispielsweise sind die erste und dritte Schicht 12, 16 aufgrund ihrer Elastizität so ausgebildet, dass die Oberfläche 48 und die Oberfläche 50 auseinandergezogen werden, sobald der Druck auf die Zelle nachlässt.Both the volume resistance 46 as well as the contact resistance 52 are designed so that as soon as a cell is no longer loaded, they assume their original values with the lowest possible hysteresis. For example, the first and third layers 12 . 16 due to their elasticity designed so that the surface 48 and the surface 50 be pulled apart as soon as the pressure on the cell subsides.

Wie vorstehend beschrieben sind der druckveränderliche Durchgangswiderstand 46 und der druckveränderliche Übergangswiderstand 52 beides Komponenten des Gesamtwiderstands 38 einer Sensorzelle der neuen Sensoranordnung 10. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Druckbelastung sich zunächst vorteilhaft der Übergangswiderstand 52 ändert, bevor sich der Durchgangswiderstand 46 des druckempfindlichen Materials 24 der dritten Schicht 16 ändert. Mit anderen Worten kann über den veränderlichen Übergangswiderstand 52 eine empfindlichere Druckmessung durchgeführt werden, als bei herkömmlichen Drucksensoren, die primär auf den Durchgangswiderstand des druckempfindlichen Materials 24 abstellen, um eine Druckbelastung zu bestimmen.As described above, the pressure variable volume resistance 46 and the pressure-variable contact resistance 52 both components of the total resistance 38 a sensor cell of the new sensor arrangement 10 , It has been found that initially advantageous in the case of a pressure load is the contact resistance 52 changes before the volume resistance 46 of pressure-sensitive material 24 the third layer 16 changes. In other words, over the variable contact resistance 52 a more sensitive pressure measurement than conventional pressure sensors, which are primarily based on the volume resistivity of the pressure-sensitive material 24 Turn off to determine a pressure load.

Um den Effekt des Übergangswiderstands 52 als primäre Messgröße zu nutzen, ist es von Vorteil, wenn die einander zugewandten Oberflächen 48, 50 der ersten und dritten Schicht 12, 16 „frei“ aufeinanderliegen. Frei bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die erste Schicht 12 und die dritte Schicht 16 zwar zueinander fixiert sein können, aber durch die Fixierung das Zusammenwirken der Oberflächen nicht beeinflusst wird, beispielsweise indem die Fixierung die Oberflächen aufeinanderdrückt. Der Fixierung kommt somit bei dem erfindungsgemäßen Sensor eine besondere Bedeutung zu, die im Folgenden anhand der Fig. 7 näher erläutert wird.To the effect of contact resistance 52 As a primary measure to use, it is advantageous if the facing surfaces 48 . 50 the first and third shift 12 . 16 "Free" on each other. Free means in this context that the first layer 12 and the third layer 16 Although they can be fixed to each other, but by the fixation, the interaction of the surfaces is not affected, for example by the fixation of the surfaces together. The fixation is thus of particular importance in the sensor according to the invention, which is explained in more detail below with reference to FIG. 7.

7 zeigt die neue Sensoranordnung 10 in einer Draufsicht. Die Sensoranordnung 10 umfasst hier zwanzig Sensorzellen mit rechteckigen aktiven Bereichen 36. Die aktiven Bereiche 36 sind durch die Überlappungsbereiche der elektrisch leitenden Bereiche der ersten Schicht und der zweiten Schicht definiert und durch die elektrisch nichtleitenden Bereiche 22, 34 voneinander beabstandet. 7 shows the new sensor arrangement 10 in a top view. The sensor arrangement 10 here comprises twenty sensor cells with rectangular active areas 36 , The active areas 36 are defined by the overlapping regions of the electrically conductive regions of the first layer and the second layer and by the electrically non-conductive regions 22 . 34 spaced apart.

Die Sensoranordnung 10 weist hier beispielhaft verschiedene erfindungsgemäße Fixierungen auf.The sensor arrangement 10 has here by way of example different fixations according to the invention.

Die erste Fixierung 56 ist eine Naht, die entlang des nichtleitenden Bereichs 34 verläuft. Die Naht erstreckt sich durch die erste Schicht und mindestens die dritte Schicht, und vorzugsweise auch noch durch die zweite Schicht, um diese zueinander zu fixieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist in jedem elektrisch nichtleitenden Bereich 22, 34 eine solche Naht angeordnet. Da es sich bei der ersten, zweiten und dritten Schicht vorzugsweise um Textilien handelt, kann eine Naht besonders leicht erstellt werden. Entscheidend an der Fixierung ist, dass diese durch die nichtleitenden Bereiche zumindest einer der ersten oder zweiten Schicht verläuft, so dass gewährleistet ist, dass die Fixierung 56 nicht über den aktiven Bereich 36 einer Sensorzelle verläuft.The first fixation 56 is a seam that runs along the non-conductive area 34 runs. The seam extends through the first layer and at least the third layer, and preferably also through the second layer, to fix them together. In a preferred embodiment, in each electrically non-conductive region 22 , 34 arranged such a seam. Since the first, second and third layers are preferably textiles, a seam can be made particularly easily. What is decisive about the fixation is that it runs through the non-conductive regions of at least one of the first or second layers, so that it is ensured that the fixation 56 not over the active area 36 a sensor cell runs.

Die Naht 56 fixiert somit die Schichten miteinander, ohne die Kontaktflächen zwischen der ersten und dritten Schicht zu beeinflussen. Eine Naht hat den Vorteil, dass diese besonders schmal ausgeführt werden kann, so dass nur ein sehr schmaler elektrisch nichtleitender Bereich ausreichend ist, um die Naht aufzunehmen. Damit können die toten Bereiche des Sensors vorteilhaft klein gehalten werden. Es versteht sich jedoch, dass eine Naht 56 nur eine Möglichkeit darstellt, wie die erste, zweite und dritte Schicht miteinander verbunden werden können. Andere Alternativen sind denkbar.The seam 56 thus fixes the layers together without affecting the contact surfaces between the first and third layers. A seam has the advantage that it can be made very narrow, so that only a very narrow electrically non-conductive area is sufficient to accommodate the seam. Thus, the dead areas of the sensor can be kept advantageously small. It is understood, however, that a seam 56 just one way in which the first, second and third layers can be interconnected. Other alternatives are conceivable.

Beispielsweise kann alternativ, wie hier mit der Bezugsziffer 58 angedeutet, eine zweite Fixierung auch darin bestehen, dass die erste, zweite und dritte Schicht punktuell miteinander verbunden werden. Auch hier gilt, dass die zweite Fixierung 58 außerhalb der aktiven Bereiche 36 der Sensorzellen angeordnet ist.For example, alternatively, as here with the reference numeral 58 indicated, a second fixation also consist in that the first, second and third layer are selectively connected to each other. Again, that is the second fixation 58 outside the active areas 36 the sensor cells is arranged.

Darüber hinaus sind die erste und zweite Fixierung 56, 58 nicht auf Nähte beschränkt, sondern können auch andere Verbindungen sein, wie beispielsweise Klebverbindungen, sofern der Klebstoff zwischen den Schichten außerhalb der aktiven Bereiche 36 der Sensorzellen angeordnet ist. Es ist somit entscheidend bei den erfindungsgemäßen Fixierungen, dass die Kontaktflächen 48, 50 im aktiven Bereich 36 einer Zelle frei und ohne jegliche Fixierung zusammenwirken können, so dass sich der druckabhängige Übergangswiderstand vorteilhaft im Sinne der Erfindung ausbilden kann.In addition, the first and second fixation 56 . 58 not limited to seams, but may also be other compounds, such as adhesive bonds, provided that the adhesive between the layers outside the active areas 36 the sensor cells is arranged. It is thus crucial in the fixations according to the invention that the contact surfaces 48 . 50 in the active area 36 a cell can interact freely and without any fixation, so that the pressure-dependent contact resistance can be advantageous in the context of the invention.

Alternativ zu der zuvor beschriebenen direkten Fixierung der ersten, zweiten und dritten Schicht kann auch eine indirekte Fixierung der Schichten erfolgen. Eine solche dritte Fixierung ist hier mit der Bezugsziffer 60 angedeutet. Die dritte Fixierung 60 umschließt die Sensoranordnung 10 und ist somit ebenfalls außerhalb des aktiven Bereichs der Sensorzellen angeordnet. Beispielsweise kann die dritte Fixierung 60 durch eine Laminierung des druckempfindlichen Sensors erstellt werden. Beim Laminieren wird oberhalb und unterhalb der Sensoranordnung 10 jeweils ein Folienstück vorgesehen, welches ein Verbindungsmittel aufweist, mit dem es auf der von der dritten Schicht abgewandten Oberfläche der ersten bzw. zweiten Schicht geklebt wird. Die Folienstücke gehen dabei über die einzelnen Schichten hinaus und sind an den Rändern zusammengeklebt. Damit sind die einzelnen Schichten zueinander fixiert, ohne dass die Oberflächen 48, 50 der Sensorzellen durch die Fixierung beeinflusst werden.As an alternative to the above-described direct fixation of the first, second and third layers, an indirect fixation of the layers can also take place. Such a third fixation is here by the reference numeral 60 indicated. The third fixation 60 encloses the sensor arrangement 10 and is therefore also located outside the active area of the sensor cells. For example, the third fixation 60 be created by lamination of the pressure-sensitive sensor. When laminating, above and below the sensor assembly 10 in each case a piece of film is provided, which has a connecting means, with which it is glued on the side facing away from the third layer surface of the first and second layer. The film pieces go beyond the individual layers and are glued together at the edges. Thus, the individual layers are fixed to each other, without the surfaces 48 . 50 the sensor cells are influenced by the fixation.

Durch die Fixierungen kann vorteilhaft bei der Bestimmung der Druckverteilung auf den druckveränderlichen Übergangswiderstand abgestellt werden, wodurch ein druckempfindlicherer, jedoch gleichzeitig robuster, taktiler Sensor erstellt werden kann.The fixations can be used advantageously in the determination of the pressure distribution on the pressure-variable contact resistance, whereby a pressure-sensitive, but at the same time robust, tactile sensor can be created.

Es versteht sich, dass neben den vorstehend genannten Fixierungen 56, 58, 60 weitere Fixierungen denkbar sind. Insbesondere können die genannten Fixierungen auch miteinander kombiniert werden, um den erfindungsgemäßen Sensor zu bilden. Entscheidend bei den Fixierungen ist, dass innerhalb der Sensorzellen die einzelnen Schichten unbelastet und frei aufeinanderliegen, so dass sich der druckveränderliche Übergangswiderstand ausbilden kann.It is understood that in addition to the above fixations 56 . 58 . 60 further fixations are conceivable. In particular, the said fixations can also be combined with one another in order to form the sensor according to the invention. Decisive in the fixations is that within the Sensor cells, the individual layers are unloaded and free of each other, so that the pressure-variable contact resistance can form.

Im Folgenden werden anhand der 8 Anwendungsfälle dargestellt, in denen die neue Sensoranordnung vorteilhaft Verwendung finden kann. Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung nicht auf diese bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.The following are based on the 8th Applications illustrated in which the new sensor arrangement can be used advantageously. It is understood that the sensor arrangement according to the invention is not limited to these preferred embodiments.

In der 8 sind zwei Ausführungsbeispiele gezeigten, in denen die neue Sensoranordnung 10 als Schutzeinrichtung 110, 112 zum Absichern einer technischen Anlage verwendet wird. Beide Schutzeinrichtungen 110, 112 überwachen hier eine technische Anlage 114, die hier als automatisiert arbeitender Roboter 116 angedeutet ist. Bei dem Roboter 116 kann es sich beispielsweise um einen Schneid- oder Schweißroboter in einer Fertigungs- oder Montagelinie handeln.In the 8th Two embodiments are shown in which the new sensor arrangement 10 as a protective device 110 . 112 is used to secure a technical system. Both protective devices 110 . 112 monitor a technical facility here 114 here as an automated robot 116 is indicated. In the robot 116 For example, it may be a cutting or welding robot in a manufacturing or assembly line.

Der zu überwachende Roboter 116 hat hier einen frei beweglichen Roboterarm 118, an dessen Ende sich ein Werkzeug 120 befindet. Der Dreh- und Schwenkbereich des Roboterarms 118 definiert einen Wirkungsbereich des Roboters 116, der gleichzeitig ein Gefahrenbereich des Roboters 116 darstellt. Ein Eintreten in den Gefahrenbereich - sowohl unberechtigtes als auch berechtigtes - muss erkannt werden, sodass der Roboter 116 in einen für Personen oder Gegenstände ungefährlichen Zustand überführt werden kann. Die Erkennung erfolgt hier durch die Schutzeinrichtungen 110 und 112, die mit einem Sicherheitssystem 130 gekoppelt sind.The robot to be monitored 116 has a freely movable robot arm here 118 , at the end of which is a tool 120 located. The rotation and pivoting range of the robot arm 118 defines a sphere of action of the robot 116 , at the same time a danger area of the robot 116 represents. An entry into the danger area - both unauthorized and authorized - must be recognized, so that the robot 116 can be converted into a safe for persons or objects state. The detection takes place here by the protective devices 110 and 112 that with a security system 130 are coupled.

Das Sicherheitssystem 130 kann eine Ausgangsschalteinrichtung im Sinne der EN ISO 13856-1 sein, beispielsweise ein einfaches Sicherheitsschaltgerät, eine konfigurierbare Sicherheitssteuerung oder aber eine programmierbare Steuereinheit. Das Sicherheitssystem 130 ist dazu ausgebildet, die technische Anlage 114 in einen für Personen ungefährlichen Zustand zu überführen, beispielsweise indem die technische Anlage 114 stromlos geschaltet wird.The security system 130 may be an output switching device according to EN ISO 13856-1, for example, a simple safety relay, a configurable safety controller or a programmable controller. The security system 130 is trained to the technical facility 114 in a safe for persons state, for example, by the technical system 114 is de-energized.

Im ersten Ausführungsbeispiel ist Schutzeinrichtung 110 ist eine Trittmatte, die am Boden im Bereich um die technische Anlage 114 angeordnet ist. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die Schutzeinrichtung 112 eine Verkleidung des Roboterarms 118, die hier als berührungssensitive „Haut“ des Roboters 116 wirkt. Beide Schutzeinrichtungen 110, 112 weisen eine neue Sensoranordnung 10 auf, die aus einer Vielzahl von einzelnen Sensorzellen 124 gebildet ist. Insbesondere der zweite Anwendungsfall verdeutlicht die Flexibilität der neuen Sensoranordnung 10, so dass diese an verschiedene Formen, wie hier bspw. der Form des Roboterarms 118, angepasst werden kann.In the first embodiment is protective device 110 is a step mat that is on the ground in the area around the technical facility 114 is arranged. In the second embodiment, the protective device 112 a cladding of the robot arm 118 , here as a touch-sensitive "skin" of the robot 116 acts. Both protective devices 110 . 112 have a new sensor arrangement 10 on, which consists of a multiplicity of individual sensor cells 124 is formed. In particular, the second application illustrates the flexibility of the new sensor arrangement 10 , so that these different forms, such as here, for example, the shape of the robot arm 118 , can be adjusted.

Wie zuvor erläutert, ist die Sensoranordnung 10 dazu ausgebildet, eine Druckveränderung in einer der Sensorzellen 124 zu detektieren und in Abhängigkeit der Detektion ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen. Das Ausgangssignal wird über die Leitungen 126 an Eingangsmodule 128 des Sicherheitssystems 130 übertragen, welches die Signale auswertet und in Abhängigkeit davon eine Reaktion auslöst. Das Sicherheitssystem 130 ist in diesem Ausführungsbeispiel für diesen Zweck über Ausgänge 132 mit Schützen 134 verbunden, deren Arbeitskontakte 136 in einer Stromversorgung 138 des Roboters 116 angeordnet sind.As previously explained, the sensor assembly is 10 adapted to a pressure change in one of the sensor cells 124 to detect and generate a corresponding output signal depending on the detection. The output signal is via the wires 126 at input modules 128 of the security system 130 transmit, which evaluates the signals and depending on a reaction triggers. The security system 130 is in this embodiment via outputs for this purpose 132 with shooters 134 connected, whose working contacts 136 in a power supply 138 of the robot 116 are arranged.

Wird eine Sensorzelle 124 der Trittmatte 110 im Gefahrenbereich der technischen Anlage 114 belastet oder wird durch die Roboterhaut 112 eine Berührung mit einem Gegenstand oder einer Person detektiert, schaltet das Sicherheitssystem 130 die Ausgänge 132 ab, so dass die Schütze 134 abfallen und die technische Anlage 114 durch Öffnen der Arbeitskontakte 136 stromlos geschaltet wird. Durch das Stromlosschalten wird die technische Anlage 114 in einen für Personen oder Gegenstände sicheren Zustand überführt.Becomes a sensor cell 124 the step mat 110 in the danger zone of the technical system 114 or is loaded by the robotic skin 112 detects a contact with an object or a person, switches the security system 130 the exits 132 off, leaving the shooter 134 fall off and the technical facility 114 by opening the working contacts 136 is switched off. By the power switch is the technical system 114 converted into a safe for persons or objects state.

Es versteht sich, dass das Stromlosschalten der technischen Anlage 114 nur eine Möglichkeit darstellt, die technische Anlage 114 in einen sicheren Zustand zu überführen. Alternativ oder ergänzend kann in einem anderen Ausführungsbeispiel das Sicherheitssystem 130 auch steuernd in den Bewegungsablauf des Roboters 116 eingreifen, um einen sicheren Zustand herbeizuführen, beispielsweise indem der Roboter 116 den Roboterarm 118 einzieht. Ebenso ist es denkbar, dass die Ausgangssignale der Sensoranordnungen 10 der ersten Schutzeinrichtung 110 und der zweiten Schutzeinrichtung 112 oder die Ausgangssignale weiterer Schutzeinrichtungen kombiniert betrachtet werden und das Sicherheitssystem 130 aus der Zusammenschau eine Entscheidung über die Ansteuerung des Roboters 116 trifft. Weitere Schutzeinrichtungen können beispielsweise berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS), wie Lichtschranken oder Lichtgitter, oder aber ein sicheres Kamerasystem sein.It is understood that the power-off of the technical equipment 114 only one way represents the technical facility 114 into a safe state. Alternatively or additionally, in another embodiment, the security system 130 also controlling in the movement sequence of the robot 116 intervene to bring about a safe state, for example by the robot 116 the robot arm 118 moves in. It is also conceivable that the output signals of the sensor arrangements 10 the first protection device 110 and the second protection device 112 or the output signals of other protection devices can be considered combined and the security system 130 from a synopsis, a decision on the control of the robot 116 meets. Further protective devices may be, for example, non-contact protective devices (ESPE), such as light barriers or light grids, or a secure camera system.

Für die vorstehend genannten druckempfindlichen Schutzeinrichtungen sind die allgemeinen Grundsätze und Anforderungen an die sichere Gestaltung und deren Überprüfung, wie sie in der EN ISO 13856-1 festgelegt sind, einzuhalten. Insbesondere sind in dieser Norm die Mindestsicherheitsanforderungen in Bezug auf die Leistungsfähigkeit, Kennzeichnung und Dokumentation angegeben. So muss beispielsweise gewährleistet sein, dass eine Schutzreinrichtung zum Absichern einer technischen Anlage in einem definierten Temperaturbereich von -20° Celsius bis 70° Celsius ohne Einschränkungen funktionsfähig ist. Diese Anforderungen lassen sich besonders gut und kostengünstig durch die neue, erfindungsgemäße Sensoranordnung 10 erfüllen.The above-mentioned pressure-sensitive protective devices shall comply with the general principles and requirements for safe design and testing as defined in EN ISO 13856-1. In particular, this standard specifies the minimum safety requirements in terms of performance, marking and documentation. For example, it must be ensured that a protective device to secure a technical Plant in a defined temperature range of -20 ° Celsius to 70 ° Celsius is functional without restrictions. These requirements can be particularly well and inexpensively by the new, inventive sensor arrangement 10 fulfill.

Es versteht sich, dass die neue Sensoranordnung 10 nicht auf die vorstehend genannten Anwendungsfälle beschränkt ist, sondern auch anderweitig vorteilhaft eingesetzt werden kann, insbesondere in Anwendung die hohe Anforderungen an die Robustheit, Zuverlässigkeit und Genauigkeit des verwendeten druckempfindlichen Sensor stellen.It is understood that the new sensor arrangement 10 is not limited to the above-mentioned applications, but can also be used to advantage in other ways, especially in applications that place high demands on the robustness, reliability and accuracy of the pressure-sensitive sensor used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 102007022871 A1 [0007, 0008, 0009, 0016]
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Claims

A sensor assembly (10) having first (12), second (14) and third layers (16) of flexible material superimposed to form a pressure sensitive sensor having at least two sensor cells, the first layer (12) comprises a first (20) and a second (28) electrically conductive region extending in the surface which are mechanically interconnected via an electrically non-conductive region (22) and the second layer (14) a third (30) surface area conductive region, wherein the third electrically conductive region (30) of the second layer (14) overlaps the first and second electrically conductive regions (20, 28) of the first layer (12) and the region of overlap comprises an active region (36) of a first and a second Sensor cell defines, wherein the third layer (16) is formed of a conductive, resilient material (24) which cooperates in the active region (36) with the first and second conductive regions (20, 28) of the first layer (12) under local mechanical stress such that an electrical resistance (38) between the first, second and third electrical regions (20, 28, 30) changes in the location of the pressure load, and wherein the sensor assembly comprises a fixation (56; 58; 60) adapted to fix the first and second layers (12, 14) to each other, the fixation being located outside the active region (36), such that the fixation means (36; the first and third layers (12, 16) in the active region (36) lie on one another unloaded and the mutually facing surfaces (48, 50) of the first and third layers (12, 16) are substantially free of a fixation.

Sensor arrangement after Claim 1 wherein the first layer (12) is a fabric into which the first (20) and second conductive regions (28) are woven by means of conductive yarn.

Sensor arrangement after Claim 1 or 2 wherein the conductive elastic material (24) of the third layer (16) is a textile, in particular a microfibre cloth interspersed with a conductive additive.

Sensor arrangement after Claim 3 wherein the additive is a carbon-based additive or a metallic additive.

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 4 wherein the fixation (56; 58; 60) is a lamination and / or has at least one seam.

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 5 wherein the fixation includes at least one seam (56) configured to connect the first (12) and third layers (16) together and to extend along the non-conductive region (22) of the first layer (12).

Sensor arrangement after Claim 6 wherein the seam is further configured to connect the second layer (14) to the first (12) and third layers (16) and along the non-conductive region (22) of the first layer (12) and through the third conductive region (30) of the second layer (14).

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 7 wherein the fixation (60) is a lamination comprising at least one piece of film covering a surface of the first layer (12) remote from the third layer (16) and extending over the first, second and third layers (12, 14, 16). extends beyond.

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 8th wherein the first and second layers (12, 14) are a fabric into which the first, second and third conductive regions (20, 28, 30) are woven by means of conductive yarn.

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 9 wherein the conductive elastic material (24) has a volume resistivity formed to be linear with an applied voltage when the applied voltage changes in the range of 0V to 5V.

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 10 wherein the conductive elastic material (24) has a temperature change coefficient between 0.75 and 1.25, and wherein the temperature change coefficient is a factor describing the maximum current change when heated to 70 ° Celsius and cooled to -20 ° Celsius.

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 11 wherein the third electrically conductive region (30) of the second layer (14) overlaps the first and second electrical regions (20, 28) and the electrically non-conductive region (22) of the first layer (12) and defines a region in which the third layer (16) has an uninterrupted, closed surface with respect to the first and second layers (12, 14).

Sensor arrangement according to one of Claims 1 to 12 wherein the fixation is further formed such that the first, second and third layers (12, 14, 16) are superimposed on each other in the active region (36) and the facing surfaces (48, 50) of the first, second and third layers (48, 50). 12, 14, 16) are substantially free of fixation.

Protective device (110, 112) with a sensor arrangement according to one of Claims 1 to 13 ,