DE202017102625U1 - Multi-layered, tactile sensor - Google Patents
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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
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
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.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel offenbart
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
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
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
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.
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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.
Die neue Sensoranordnung
Die erste, zweite und dritte Schicht
Die einzelnen Schichten
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die zweite Schicht
Die dritte Schicht
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die dritte Schicht
Die erste Schicht
Die zweite Schicht
Eine Sensorzelle A, B, C, D umfasst folglich immer einen elektrisch leitenden Bereich
Die durch die Überlappungsbereiche gebildeten Sensorzellen definieren an der Sensoroberfläche
Die Sensorzelle A, B, C, D der Sensoranordnung
Der elektrische Widerstand
Während bei Drucksensoren aus dem Stand der Technik der elektrische Widerstand
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
Mit Bezug auf die
Vorzugsweise ist darüber hinaus auch die zweite Schicht
Das druckempfindliche Material
In Serie zum Durchgangswiderstand
Sowohl der Durchgangswiderstand
Wie vorstehend beschrieben sind der druckveränderliche Durchgangswiderstand
Um den Effekt des Übergangswiderstands
Die Sensoranordnung
Die erste Fixierung
Die Naht
Beispielsweise kann alternativ, wie hier mit der Bezugsziffer
Darüber hinaus sind die erste und zweite Fixierung
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
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
Im Folgenden werden anhand der
In der
Der zu überwachende Roboter
Das Sicherheitssystem
Im ersten Ausführungsbeispiel ist Schutzeinrichtung
Wie zuvor erläutert, ist die Sensoranordnung
Wird eine Sensorzelle
Es versteht sich, dass das Stromlosschalten der technischen Anlage
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
Es versteht sich, dass die neue Sensoranordnung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102007022871 A1 [0007, 0008, 0009, 0016]DE 102007022871 A1 [0007, 0008, 0009, 0016]
- DE 2007022871 A1 [0016]DE 2007022871 A1 [0016]
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---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |