DE3236056A1 - DETECTOR MAT - Google Patents
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Abstract
Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 2 9 9 DESIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Our mark Berlin and Munich VPA 82 P 3 2 9 9 DE
DetektormatteDetector mat
Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektormatte mit Elektroden, die mit einem flachen Grundkörper wenigstens ein druckempfindliches Wandlerelement bilden.The invention relates to a detector mat with electrodes with a flat base body at least form a pressure sensitive transducer element.
Es sind Tasten auf kapazitiver Basis bekannt, bei denen das Zusammenpressen eines Dielektrikums eine sprunghafte Kapazitätsänderung bewirkt, die'mit Hilfe geeigneter Schaltungen in Impulse umgesetzt und einer Elektronik zugeführt wird. Solche Taster ohne mechanische Kontakte haben eine hohe Lebensdauer (Elektronikschau, Heft 9, 1980, Seite 27).There are capacitive based buttons are known in which the compression of a dielectric one sudden change in capacitance causes the'mit help suitable circuits are converted into pulses and fed to electronics. Such buttons without mechanical Contacts have a long service life (Elektronikschau, Heft 9, 1980, page 27).
Es ist ferner ein kapazitiver Druckknopfschalter bekannt, bei dem eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF, die als Dielektrikum vorgesehen ist, an einer Flachseite mit einer dünnen biegsamen Elektrode versehen ist, die über eine Schaumstoffzwischenlage mit einem Druckknopf verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Flachseite des Dielektrikums sind in einem vorgegebenen Abstand zwei elektrische Leiter vorgesehen, die auf einer Leiterplatte nebeneinander angeordnet sind und mit dem Dielektrikum und der gemeinsamen Elektrode eine Reihenschaltung von Kapazitäten bilden. Mit der Betätigung des Druckknopfes erhält man eine Änderung der Gesamtkapazität, aus der ein Schaltsignal abgeleitet wird (DE-OS 31 14 518).It is also a capacitive push button switch known, in which a film made of polyvinylidene fluoride PVDF, which is provided as a dielectric, on a Flat side is provided with a thin, flexible electrode, which is covered with a foam layer connected to a push button. On the opposite flat side of the dielectric are in a predetermined Distance between two electrical conductors is provided, which are arranged next to one another on a circuit board and form a series connection of capacitances with the dielectric and the common electrode. Pressing the push button changes the total capacity, from which a switching signal is obtained is derived (DE-OS 31 14 518).
Kin 2 Koe / 23.9.1982Kin 2 Koe / 23.9.1982
J I 6 b U 5 bJ I 6 b U 5 b
-*- VPA 82P32 9 9DE- * - VPA 82P32 9 9DE
Es ist ferner eine Detektormatte mit eines flachen Grundkörper bekannt, an dessen Flachseiten Elektroden angeordnet sind. Der Grundkörper besteht aus piezoelektrischem Material und seine Flachseiten sind mit den Elektroden versehen. Bei dieser piezoelektrisch wirkenden Detektormatte können langsam sich ändernde Druckbelastungen oder statische Druckbelastungen nicht eindeutig erkannt werden, weil die geringen piezoelektrisch erzeugten Ladungen abfließen können (DE-AS 28 34 863).Furthermore, a detector mat with a flat base body is known, on the flat sides of which electrodes are arranged. The main body consists of piezoelectric material and its flat sides are with the electrodes. With this piezoelectrically acting detector mat, slowly changing Pressure loads or static pressure loads are not clearly recognized because the low piezoelectric generated charges can flow off (DE-AS 28 34 863).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektormatte anzugeben, die empfindlich ist gegen Druckeinwirkung, in einfacher Weise hergestellt werden kann, unempfindlich ist gegen Störungseinflüsse und eine lange Lebensdauer hat.The invention is based on the object of specifying a detector mat that is sensitive to the effects of pressure, can be produced in a simple manner, is insensitive to interference and a has a long lifespan.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dieser Ausführungsform der Detektormatte stellt sich nach jeder Belastung der Kapazitätswert der unbelasteten Matte selbsttätig wieder ein. Beim Betreten der Detektormatte wird die Kapazität an den Belastungspunkten durch die Dicke des Dielektrikums, dessen Dielektrizitätskonstante und die wirksame Elektrodenfläche bestimmt. Bei Verwendung einer Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF oder eines Copolymers, deren Dicke 10 /um im allgemeinen nicht wesentlich überschreitet und deren relative Dielektrizitätskonstante etwa 10 bis 15 ist, beträgt die Kapazitätsänderung mehr als eine Größenordnung und ist somit leicht elektronisch auswertbar. Die Elastizität und Dicke der Abstandhalter wird so gewählt, daß im unbelasteten Zustand die Kapazitäten zwischen den an beiden Flachseiten des Dielektrikums angeordneten Elektroden ausreichend klein sind undThis object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1. With this embodiment of the detector mat, the capacitance value of the unloaded mat is established after each load on again automatically. When stepping on the detector mat, the capacitance at the load points increases the thickness of the dielectric, its dielectric constant and determines the effective electrode area. When using a film made of polyvinylidene fluoride PVDF or a copolymer, the thickness of which does not generally exceed 10 μm and whose relative dielectric constant is about 10 to 15, the change in capacitance is more than an order of magnitude and can therefore be easily evaluated electronically. The elasticity and thickness of the spacers will be like this chosen that in the unloaded state the capacitances between the two flat sides of the dielectric arranged electrodes are sufficiently small and
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
-δ--δ-
-j- VPA %l P 3 2 9 9 QE -j- VPA % l P 3 2 9 9 QE
zugleich eine große Empfindlichkeit der Detektormatte erreicht wird. Die Detektormatte bildet eine empfindliche und zuverlässige und somit vielseitig einsetzbare Sicherheitseinrichtung, die auch als Alarmeinrichtung verwendet werden kann.at the same time a high sensitivity of the detector mat is achieved. The detector mat forms a sensitive one and reliable and thus versatile security device, which can also be used as an alarm device can be used.
In einer besonders einfachen Ausführungsform der Detektormatte können die Elektrodenstreifen und die Abstandhalter auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sein. In dieser Ausführungsform mit einer verhältnismäßig steifen Abdeckplatte ist die mechanische Beanspruchung des Dielektrikums verhältnismäßig gering.In a particularly simple embodiment of the detector mat, the electrode strips and the Spacers can be arranged on a common base plate. In this embodiment with a relatively stiff cover plate, the mechanical stress on the dielectric is relatively low.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Detektormatte kann auch ein dünnes, flächenhaftes
Dielektrikum aus Piezokeramik mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstanten vorgesehen sein.
Damit erhält man eine Kapazitätsänderung um mehrere Größenordnungen.
20In a particularly advantageous embodiment of the detector mat, a thin, planar dielectric made of piezoceramic with a high relative dielectric constant can also be provided. This results in a change in capacitance of several orders of magnitude.
20th
Eine besonders einfache Signalerkennung mit Ortsauflösung erhält man mit einer Ausführungsform der Detektormatte mit Zeilen- und Spaltenelektroden, deren Kreuzungspunkte jeweils ein Wandlerelement bilden. An diese Elektroden wird spaltenweise nacheinander jeweils eine Wechselspannung angelegt und die Signale werden zeilenweise ausgelesen.A particularly simple signal detection with spatial resolution is obtained with an embodiment of the detector mat with row and column electrodes, the crossing points of which each form a transducer element. At an alternating voltage is applied to these electrodes one after the other in columns and the signals are generated read line by line.
Die Abstandhalter können zweckmäßig aus elektrisch isolierenden Elastomeren bestehen, die streifenförmig oder zylinderförmig gestaltet sein können oder auch als Noppen ausgeführt werden können. Sie können sowohl an der Grund- oder Leiterplatte als auch an einer als Abdeckplatte dienenden Auflage befestigt sein. Die Elektroden können wenigstens teilweise aus Metall oderThe spacers can expediently consist of electrically insulating elastomers, which are strip-shaped or can be designed cylindrical or can also be designed as knobs. You can do both be attached to the base or printed circuit board as well as to a support serving as a cover plate. the Electrodes can be at least partially made of metal or
-*-- YPA 82 P 32 9 9 DE- * - YPA 82 P 32 9 9 DE
auch aus elektrisch leitenden Elastomeren bestehen.also consist of electrically conductive elastomers.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Ausführungsbeispiele von Detektormatten nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. Figur 1 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform in auseinandergezogener Sandwich-Darstellung. In Figur 2 ist eine Ausführungsform mit Zeilen- und Spaltenelektroden dargestellt. In Figur 3 ist eine Draufsicht der Anordnung nach Figur 2 veranschaulicht. Figur 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführung sfοrm nach Figur 3 und in Figur 5 ist eine Detektormatte mit noppenförmigen Abstandhaltern dargestellt. To further explain the invention, reference is made to the drawing, in the exemplary embodiments of detector mats according to the invention are illustrated schematically. Figure 1 shows a particularly simple one Embodiment in an exploded sandwich representation. In Figure 2 is an embodiment with Row and column electrodes shown. In FIG. 3, a top view of the arrangement according to FIG. 2 is illustrated. Figure 4 shows a modification of the embodiment sfοrm according to Figure 3 and in Figure 5 is a Detector mat shown with knob-shaped spacers.
In der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein flächenhaftes, dünnes Dielektrikum 2, vorzugsweise eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von etwa 5 bis 100 /um, vorzugsweise etwa 10 /um, insbesondere eine Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT, deren Dicke 100 /um nicht wesentlich überschreitet und deren relative Dielektrizitätskonstante bis zu annähernd 4000 betragen kann, als Dielektrikum vorgesehen. An ihrer unteren Flachseite sind eine große Anzahl von Streifenelektroden mit einer vorbestimmten, in der Figur nicht näher bezeichneten Dicke angeordnet, von denen in der Figur zur Vereinfachung nur zwei dargestellt und mit 4 bzw. 5 bezeichnet sind. Diese Streifen elektroden 4 und 5 bestehen wenigstens in ihrem dem Dielektrikum 2 zugewandten Oberflächenbereich aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise einem elektrisch leitenden Elastomer, oder auch aus Metall. Diese Streifenelektroden 4 und 5 sind zwischen ebenfalls streifenförmigen Abstandhaltern 6, 7 und 8 mit größerer Dicke angeordnet, die vorzugsweise aus elek-In the embodiment according to FIG. 1, there is a flat, thin dielectric 2, preferably a film made of polyvinylidene fluoride PVDF with a thickness of about 5 to 100 μm, preferably about 10 μm, in particular a foil made of lead-zirconate-titanate PZT, whose thickness does not significantly exceed 100 / µm and whose relative dielectric constant can be up to approximately 4000, provided as a dielectric. At their lower flat side are a large number of strip electrodes with a predetermined in the Figure arranged thickness unspecified, of which only two are shown in the figure for simplicity and are denoted by 4 and 5, respectively. This strip electrodes 4 and 5 are at least in their that Dielectric 2 facing surface area made of electrically conductive material, for example a electrically conductive elastomer, or made of metal. These strip electrodes 4 and 5 are between also strip-shaped spacers 6, 7 and 8 arranged with greater thickness, which are preferably made of electrical
-?- VPA 82 P 3 2 9 9 DE -? - VPA 82 P 3 2 9 9 DE
trisch isolierenden Elastomeren bestehen. Die Streifenelektroden 4 und 5 sowie die Abstandhalter 6 bis 8 sind auf einer Grundplatte 14, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann, parallel nebeneinander angeordnet. Auf der oberen Flachseite des Dielektrikums 2 ist eine dünne, flächenhafte Elektrode 10 aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, die beispielsweise an einer steifen Abdeckplatte 12 befestigt sein kann. Die Baueinheit aus der Abdeckplatte 12 mit der Elektrode 10 kann vorzugsweise aus einer handelsüblichen kupferkaschierten Leiterplatte bestehen.Trisch insulating elastomers exist. The strip electrodes 4 and 5 and the spacers 6 to 8 are on a base plate 14, for example from Plastic can exist, arranged in parallel next to one another. On the top flat side of the dielectric 2, a thin, sheet-like electrode 10 made of electrically conductive material is provided, which for example can be attached to a rigid cover plate 12. The assembly from the cover plate 12 with the Electrode 10 can preferably consist of a commercially available copper-clad printed circuit board.
Im Falle einer Druckbelastung werden die benachbarten weichen Abstandhalter 6, 7 oder 8 zusammengedrückt, so daß sich der Abstand zwischen den Streifenelektroden oder 5 und der Elektrode 10 in dem belasteten Oberflächenbereich vermindert. Aus der entsprechenden Kapazitätsänderung wird ein Schaltsignal abgeleitet und einer in bekannter Weise aufgebauten Elektronik zugeführt. Zu diesem Zweck ist die Elektrode 10 mit einem in der Figur nicht dargestellten elektrischen Anschlußleiter versehen. Auch die Streifenelektroden 4 und 5 sind mit einem gemeinsamen elektrischen Anschlußleiter verbunden. Ein besonderer Vorteil der Detektormatte besteht darin, daß sie am Ende jeder Druckbelastung unter der Wirkung ihrer Abstandhalter 6 bis 8 ihren ursprünglichen Kapazitätswert wenigstens annähernd wieder annimmt.In the event of a pressure load, the adjacent soft spacers 6, 7 or 8 are pressed together, see above that the distance between the strip electrodes or 5 and the electrode 10 in the loaded surface area reduced. A switching signal is derived from the corresponding change in capacitance and fed to an electronics constructed in a known manner. For this purpose, the electrode 10 is provided with a provided in the figure electrical connection conductor not shown. Also the strip electrodes 4 and 5 are connected to a common electrical connection conductor. A particular advantage of the detector mat is that they at the end of each pressure load under the action of their spacers 6 to 8 their at least approximately assumes the original capacitance value again.
In einer besonderen Ausführungsform der Detektormatte ist als Dielektrikum 2 eine Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT vorgesehen, die in einfacher Weise mit der Elektrode 10 verlötet oder verklebt sein kann. Mit dieser Ausführungsform der Detektormatte erhält man ein entsprechend erhöhtes Ausgangssignal. UnterIn a special embodiment of the detector mat, the dielectric 2 is a film made of lead-zirconate-titanate PZT is provided, which can be soldered or glued to the electrode 10 in a simple manner. With In this embodiment of the detector mat, a correspondingly increased output signal is obtained. Under
VPA 82 P 32 9 9 DEVPA 82 P 32 9 9 DE
Umständen kann es zweckmäßig sein, die Anordnung derart um 180° zu verdrehen, daß die dargestellte Abdeckplatte 12 die Grundplatte bildet, auf der dann die flächenhafte Elektrode 10 und das Dielektrikum gestapelt sind.In some circumstances it may be useful to rotate the arrangement by 180 ° in such a way that the illustrated Cover plate 12 forms the base plate on which the planar electrode 10 and the dielectric are then placed are stacked.
In der Ausführungsform der Detektormatte nach Figur sind zylindrische Streifenelektroden 24 und 25 vorgesehen, die unterhalb des Dielektrikums 2 auf der Grundplatte 14 angeordnet sind. Auf der oberen Flachseite des Dielektrikums 2 sind ebenfalls zylindrische Abstandhalter 26 und 27 mit größerer Dicke D vorgesehen, die aus einem elektrisch isolierenden Elastomer bestehen. Ferner sind oberhalb des Dielektrikums 2 streifenförmige Elektroden vorgesehen, von denen in der Figur nur die erste sichtbar und mit 28 bezeichnet ist, und die an der gemeinsamen Abdeckung 12 befestigt sind.In the embodiment of the detector mat according to FIG cylindrical strip electrodes 24 and 25 are provided below the dielectric 2 on the base plate 14 are arranged. On the upper flat side of the dielectric 2 are also cylindrical Spacers 26 and 27 are provided with a greater thickness D made of an electrically insulating elastomer exist. Furthermore, strip-shaped electrodes are provided above the dielectric 2, of which in FIG only the first one is visible in the figure and is designated by 28, and that is attached to the common cover 12 are.
Nach Figur 3 sind diese Streifenelektroden 24 und zu den oberhalb des Dielektrikums 2 angeordneten, ebenfalls streifenförmigen Elektroden 28 bis 30 derart gekreuzt, daß in ihren Kreuzungspunkten jeweils ein Druckwandlerelement gebildet wird. In dieser Ausführungsform bilden die Streifenelektroden 24 und 25 in X-Richtung verlaufende Spaltenleiter und die an der Abdeckung 12 befestigten Elektroden 28 bis 30 in Y-Richtung verlaufende Zeilenleiter. Im Falle einer Druckbelastung P werden die benachbarten weichen Abstandhalter 26 und 27 zusammengedrückt, so daß sich der Abstand A zwischen der als Zeilenleiter dienenden Elektrode 30 und der als Spaltenleiter dienenden Streifenelektrode 24 vermindert und die Kapazität des in diesem Kreuzungspunkt gebildeten Wandlerelements entsprechend erhöht wird. Dieses Signal kann an derAccording to Figure 3, these are strip electrodes 24 and to the likewise strip-shaped electrodes 28 to 30 arranged above the dielectric 2 in this way crossed that a pressure transducer element is formed in each of their crossing points. In this embodiment form the strip electrodes 24 and 25 extending in the X-direction column conductors and on the Cover 12 attached electrodes 28 to 30 running in the Y-direction row conductors. In case of a Pressure load P, the adjacent soft spacers 26 and 27 are pressed together, so that the distance A between the electrode 30 serving as a row conductor and that serving as a column conductor Strip electrode 24 is reduced and the capacitance of the transducer element formed at this crossing point is increased accordingly. This signal can be sent to the
BADBATH
-a-
-T- VPA 82 P 32 9 8 0E -a-
-T- VPA 82 P 32 9 8 0E
Streifenelektrode 24 oder der Elektrode 30 ausgelesen werden. Mit dieser Ausführungsform erhält man somit eine ortsauflösende Detektoraatte.Strip electrode 24 or the electrode 30 read out will. With this embodiment, a spatially resolving detector plate is obtained.
Abweichend von der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 können nach Figur 4 oberhalb des Dielektrikums streifenförmige Elektroden 33 und 39 auch derart angeordnet sein, daß sie oberhalb der Streifenelektroden 24 und 25 und parallel zu diesen sowie parallel zu den Abstandhaltern 26 und 27 verlaufen. In dieser Anordnung ist die Kapazität der unbelasteten Detektormatte sehr gering und das Schaltverhalten der Detektormatte wird entsprechend verbessert.Deviating from the embodiment according to FIGS According to FIG. 4, strip-shaped electrodes 33 and 39 can also be arranged in this way above the dielectric be that they are above the strip electrodes 24 and 25 and parallel to them and parallel to the Spacers 26 and 27 run. In this arrangement the capacity of the unloaded detector mat is large low and the switching behavior of the detector mat is improved accordingly.
In der Ausführungsform nach Figur 5 ist die Grundplatte 14 mit einer flächenhaften Elektrode 34 versehen, die beispielsweise aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen kann. Auf dieser Elektrode 34 sind noppenförmige Abstandhalter 36 bis 38 vorgesehen, die beispielsweise auf ihre metallische Unterlage aufgeklebt sein können. Oberhalb des Dielektrikums 2 sind Streifenelektroden 34 und 35 zwischen den Reihen der noppenförmigen Abstandhalter 36 bis 38 angeordnet und an der Abdeckplatte 12 befestigt. In dieser Ausführungsform kann sowohl die Grundplatte 14 mit ihrer Elektrode 34 und den Abstandhaltern 36 bis 38 als auch die Abdeckplatte 12 mit ihren Streifenelektroden 34 und 35 jeweils als Baueinheit vorgefertigt werden. Durch die Noppenform der Abstandhalter 36 bis 38 wird die Detektormatte weicher und die Empfindlichkeit der Anordnung entsprechend erhöht.In the embodiment according to FIG. 5, the base plate 14 is provided with a flat electrode 34, which can for example consist of metal, preferably of copper. On this electrode 34 are knob-shaped Spacers 36 to 38 are provided, for example can be glued to their metallic base. Above the dielectric 2 are strip electrodes 34 and 35 arranged between the rows of knob-shaped spacers 36 to 38 and on the Cover plate 12 attached. In this embodiment, both the base plate 14 with its electrode 34 and the spacers 36 to 38 as well as the cover plate 12 with its strip electrodes 34 and 35 are each prefabricated as a unit. The nub shape of the spacers 36 to 38 is the Detector mat is softer and the sensitivity of the arrangement is increased accordingly.
8 Patentansprüche
5 Figuren8 claims
5 figures
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Also Published As
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