DE3841243A1 - Messanordnung, vorzugsweise in form einer messplattform - Google Patents
Messanordnung, vorzugsweise in form einer messplattformInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung, vorzugsweise
in Form einer Meßplattform flexibler Meßmatten oder
einzelner Meßzellen gemäß dem Oberbegriff des
Hauptanspruches.
Eine solche Meßanordnung ist bekannt (DE-OS
25 29 475 und DE-OS 36 42 088). Die einzelnen Meß
zellen dieser Anordnung verwandeln einen mechanischen
Druck in ein elektrisches Signal über die Veränderung
der Kapazität jeder Meßzelle, da durch Krafteinwirkung
sich der Abstand von Ober- zu Unterseite jedes als
Kondensator wirkenden Meßzelle sich ändert und damit
die Kapazität des Kondensators. Bei vielen Meßfällen
sind mehrere Sensoren pro cm2 erforderlich. Bei
einem Abstand von Ober- zur Unterseite im Bereich
von 1 bis 2 mm ergeben sich bei Krafteinwirkungen
nur minimale Anderungen der Kapazität jeder Meß
zelle im Bereich von Bruchteilen von pF (Picofarad).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
bekannte Meßanordnung so weiterzubilden, daß jede
Meßstelle einen erheblich größeren Kapazitätsgrund
wert und damit auch größere Änderungen der Kapazitäts
werte bei Krafteinwirkung aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Meßan
ordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches
erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale
in überraschend einfacher Weise gelöst.
Infolge der Tatsache, daß die Unter- und/oder die
Oberseite jeder Meßzelle zumindest einen sich in
Richtung auf das Dielektrikum des Kondensators ver
jüngenden zumindest an der Oberfläche elektrisch
leitfähigen Vorsprung aufweist, der auch als sich
in einer Richtung erstreckende Rippe ausgebildet
sein kann, wird bei Krafteinwirkung bewirkt, daß
die Vorsprünge gegen das - elektrisch isolierende
- Dielektrikum gedrückt, dabei abgeflacht werden.
Hierdurch vergrößert sich die Kondensatorfläche
und damit die Kapazität, wobei das zwischen der
Ober- und der Unterseite angebrachte Dielelektrikum,
beispielsweise in Form einer Platte in praxi praktisch
beliebig dünn gemacht werden kann, wobei ein erheb
liche Steigerung der Kapazitätswerte und deren
Änderungen in der Größenordnung von einigen nF (Nano
farad) erreicht werden kann. Zusätzlich verringert
sich bei Krafteinwirkung der Abstand der schrägen
sich verjüngenden Flächen zu der gegenüberliegenden
Seite, wodurch sich eine weitere Erhöhung der
Kapazität ergibt. Erste Messungen ergaben eine Er
höhung der Kapazitätsänderungen um den Faktor
100 gegenüber den gattungsgemäßen Sensoren. Die
dadurch bedingte Vergrößerung des Störabstandes
und Erhöhung des Meßbereiches sind von besonderem
Vorteil.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können
die sich in Richtung auf das Dielektrikum verjüngenden
Vorsprünge nur auf einer Seite angeordnet sein und
sowohl Dielektrikum als auch die andere Seite als
durchgehende Platte ausgebildet sein, welch letztere
insgesamt elektrisch leitend als einzige Gegen
elektrode durchgehend elektrisch leitend beschichtet
ist, wobei dann jeder Vorsprung elektrisch einzeln
bzw. alle Vorsprünge einer Meßzelle einzeln abfrag
bar sein sollte. Es ist aber auch möglich, anstelle
einer durchgehenden Kontaktierung der die Vorsprünge
nicht aufweisenden Seite eine Vielzahl von leitenden,
voneinander aber getrennten, die Meßzelle in ihrer
Geometrie festlegenden Beschichtung vorzusehen,
wobei dann die die Vorsprünge aufweisende Seite
auf ihrer Oberseite elektrisch durchgehend beschichtet
und insgesamt an einem Pol der Spannungsquelle ange
legt werden kann. Natürlich ist es auch möglich,
sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite
eine gesonderte elektrische Zuleitung für eine Meß
zelle vorzusehen. Von besonderem Vorteil sind die
Vorsprünge kegel- oder pyramidenstumpfförmig ausge
bildet.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung können
aber auch mehrere, zueinander parallel verlaufende,
sich in Richtung des Dielektrikums verjüngende Rippen
auf der einen Seite vorgesehen sein, wobei dann
die andere Seite jeder Meßzelle quer zu den Rippen
der einen Seite, vorzugsweise rechtwinklig dazu
verlaufende Rippen aufweist. Diese Ausbildung läßt
sich in einfacher Weise dadurch erhalten, daß auf
der einen Seite mehrere parallel zueinander
verlaufende, streifenförmige Bereiche mit den Vor
sprüngen vorgesehen ist und die andere ebenfalls
mehrere, zueinander parallel und quer, vorzugsweise
rechtwinklig zu den streifenförmigen Bereichen auf
der anderen Seite des Dielektrikums verlaufende,
auch elektrisch leitende Streifen unter Bildung
in einem Überkreuzungsbereich je einer Meßzelle
in Form des Kondensators aufweist. Bei dieser Aus
führungsform wird dann jeder streifenförmige Bereich
der insgesamt matrixartig angeordneten Meßanordnung
für sich an seiner Oberseite elektrisch leitend
ausgebildet und mit einem gesonderten elektrischen
Anschluß versehen. Dann können bei Auswahl je eines
streifenförmigen Bereichs auf der Oberseite und
eines solchen, jedoch quer dazu verlaufenden Bereichs
auf der Unterseite die im Kreuzungsbereich dieser
beiden streifenförmigen Bereiche jeweils liegenden
Meßzellen angesteuert werden.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiter
bildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1a eine erfindungsgemäße Meßzelle
einer Meßanordnung, mechanisch
unbelastet, im schematischen
Querschnitt;
Fig. 1b die Meßzelle gemäß Fig. 1a, im
mechanisch belasteten Zustand;
Fig. 1c die Berührungsflächen der Ober
seite der Meßzelle auf dem Di
elektrikum in schematischer Drauf
sicht;
Fig. 1d eine gleiche Ansicht wie gemäß
Fig. 1c, jedoch bei dem in Fig.
1b dargestellten Belastungszustand;
Fig. 2 eine Meßzelle in alternativer
Ausführungsform
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform
einer Meßanordnung mit einer
Vielzahl von Meßzellen als Spreng
bild;
Fig. 4 eine noch andere Ausführungsform
einer Meßzelle als Sprengbild;
Fig. 5 eine noch weitere Ausführungsform
einer Meßzelle, als Sprengbild;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform
einer Meßanordnung mit sich matrix
artig kreuzenden streifenförmigen
Bereichen in schematischer
perspektivischer Darstellung;
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform
für eine Meßanordnung mit einer
Vielzahl von Meßzellen, in
schematischer Darstellung;
Fig. 8 eine zu jener gemäß Fig. 6 dar
gestellten Meßanordnung alternative
Ausführungsform in matrixartiger
Anordnung, aber mit zueinander
parallel verlaufenden Rippen
als Vorsprünge, in schematischer
perspektivischer Ansicht,
Fig. 9 eine erste Ausführungsform der
Rippen der Meßanordnung gemäß
Fig. 8, in perspektivischer
Darstellung;
Fig. 10 eine zweite Ausführungsform der
rippenförmigen Vorsprünge der
Meßanordnung gemäß Fig. 8 in
perspektivischer Darstellung
und
Fig. 11 einen Querschnitt durch die An
ordnung gemäß Fig. 9.
Die Meßanordnung 20 (Fig. 3) weist eine Vielzahl
von Meßzellen 21 (Fig. 1) auf, die auf ihrer Ober
fläche 22 mechanische Drücke aufnimmt und durch
jede Meßzelle 21 in ein elektrisches Signal
umgewandelt wird. Hierbei wird die Oberfläche 22
durch die insgesamt mit 23 bezeichnete Oberseite
der Meßanordnung gebildet.
Die prinzipielle Wirkungsweise wird an der Meß
zelle gemäß Fig. 1 erklärt. Deren Oberseite 23 weist
eine Vielzahl sich in Richtung auf das Dielektrikum
24 sich hin verjüngende Vorsprünge 25 auf, die an
ihrer Oberseite elektrisch leitend ausgebildet sind
und sich bei Krafteinwirkung elastisch verformen.
Die Unterseite 26 ist beim wiedergegebenen Aus
führungsbeispiel als ebene Platte ausgebildet, die
insgesamt und deren zumindest an dem Dielektrikum
24 anliegende Fläche elektrisch leitend ausgebildet
ist. Die Ober- und Unterseite werden über elektrische
Anschlüsse 27 an eine - nicht gezeigte - Spannungs
quelle angeschlossen. Fig. 1a sowie 1c zeigen den
unbelasteten Zustand der Oberfläche 22 der Oberseite
23, die Fig. 1b sowie 1d den belasteten Zustand,
wobei ersichtlich ist, daß im belasteten Zustand
die Vorsprünge 25 elastisch verformt sind und auf
dem Dielektrikum 24 größere Berührungsflächen 28
als die kleine Berühungsfläche 29 (Fig. 1c) bilden.
Hierdurch wird die wirksame Fläche der Meßzelle und
damit die Kapazität des dadurch gebildeten
Kondensators vergrößert. Die Kapzitätsänderung ist
problemlos meßbar.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform. Hier
sind die Vorsprünge nicht kegel- oder pyramidenförmig
oder -stumpfförmig, sondern noppenförmig ausgebildet.
Vorzugsweise bestehen die Vorsprünge aus einem leit
fähigen Silikonkautschuk.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ersichtlich,
daß die Oberseite 23 zumindest im Bereich der Vor
sprünge 25 insgesamt an einen elektrischen Anschluß
27 geführt ist. Demgegenüber ist auf der Unterseite
26 mit die Geometrie einer jeden Meßzelle 21 fest
legenden, etwa rechteckförmigen Beschichtung ver
sehen, die über einen gesonderten Anschluß 31 und
schematisch mit 32 bezeichnete elektronische Schalter
an den zweiten Anschluß 27 geführt sind, um somit
jede Meßzelle einzeln abfragen zu können.
In den Fig. 4 und 5 sind verschiedene Möglichkeiten
der Kontaktierung der Oberseite 23 der Ausführungs
form gemäß Fig. 1 gezeigt. So kann entweder ein
auf das Dielektrikum 24 auf der Seite angebrachtes,
sich kreuzendes Netz 33 einer elektrischen Be
schichtung oder die einzelnen Meßzellen 21 ein
grenzenden rechteckförmig umlaufende Beschichtungen
34 vorgesehen sein, an die elektrische Anschlüsse
27 hingeführt ist, bei einer Meßanordnung, wie sie
in Fig. 3 dargestellt und beschrieben ist. Selbst
verständlich kann die Meßzelle 21, wie in den Fig.
4 und 5 gezeigt, auch in der Ausführungsform gemäß
Fig. 7 Einsatz finden.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist auf einer
Seite, z.B. der Oberseite mehrere parallel zueinander
verlaufende, streifenförmige Bereiche 35 mit den
Vorsprüngen auf. Die andere Seite ist mit mehreren,
ebenfalls parallel zueinander, jedoch quer, vorzugs
weise rechtwinklig zu den streifenförmigen Bereichen
35 verlaufende streifenförmige Bereiche 36 auf der
anderen Seite des Dielektrikums 24 vorgesehen, wobei
die dem Dielektrikum 24 zugewandten Flächen zumindest
an ihrer Oberseite elektrisch leitend ausgebildet
sind und an jedem Kreuzungspunkt der Bereiche 35,
36 je eine Meßzelle in Form eines Kondensators ge
bildet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich,
anstelle des Dielektrikums 24 zumindest eine
elektrisch leitende Oberfläche eines streifenförmigen
Bereichs 35 oder 36 mit einer elektrischen Isolations
schicht als Dielektrikum zu versehen.
Anstelle der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten,
einzelnen pyramiden- oder kegelstumpfförmig ausge
bildeten Vorsprünge ist es bei einer Anordnung von
streifenförmigen Bereichen wie bei der Ausführungs
form gemäß Fig. 6 auch möglich, die Bereiche mit
einer Vielzahl von sich in Richtung auf das Di
elektrikum verjüngenden, zueinander parallel
verlaufenden Rippen. Selbstverständlich kann auch
statt mehreren eine einzige Rippe vorhanden sein.
Die Bereiche auf der Oberseite sind in Fig. 8 dabei
mit 40 bezeichnet, die Bereiche auf der Unterseite
mit 41. Die Bereiche 40 mit verschiedenen Ausbildungen
von Rippen sind in den Fig. 9 und 10 in
perspektivischer Darstellung gezeigt. Es ist ersicht
lich, daß der streifenförmige Bereich 40 auf der
Oberseite mit einer Vielzahl, in Längserstreckung
der Streifen verlaufende, im Querschnitt dreieck-
oder halbkreisförmige Rippen 41 (Fig. 9) bzw. 42
(Fig. 10) aufweist. Hierbei kann, ebenso wie bei
der Ausführungsform gemäß Fig. 6 entweder das Di
elektrikum 24 vorgesehen sein, oder aber ohne Di
elektrikum zumindest eine Oberfläche der oberen
streifenförmigen Bereiche 40 oder der unteren
streifenförmigen Bereiche 41 mit einer als Di
elektrikum wirkenden elektrischen Isolationsbe
schichtung 43 versehen sein. In jedem Fall ergibt
sich auch an den Kreuzungsstellen je eine Meßzelle
in Form eines elektrischen Kondensators.
Claims (17)
1. Meßanordnung, vorzugsweise in Form einer Platt
form (20) flexibler Meßmatten oder einzelner
Meßzellen, auf deren Oberfläche (22) einwirkende
mechanische Drücke von einzelnen (21) und insbe
sondere, matrixartig in Zeilen und Spalten
angeordneten, einzeln abfragbaren Meßzellen
(21) ortsaufgelöst aufgenommen und in ein
elektrisches Signal gewandelt werden, wobei
jede Meßzelle (21) als seine Kapazität bei
Einwirken von mechanischen Drücken ändernder
und an eine Spannungsquelle anschließbarer
Kondensator mit einer Oberseite (22) zur Aufnahme
der Drücke, mit einer Unterseite (26) und mit
einem dazwischen angeordneten Dielektrikum
(24) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unter- (26) und/oder die Oberseite
(22) jeder Meßzelle (21) zumindest einen sich
in Richtung auf das Dielektrikum (24)
verjüngenden Vorsprung (25) aufweist, der
zumindest auf seiner Oberfläche elektrisch
leitend ausgebildet ist und bei Krafteinwirkung
elastisch verformbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jede Meßzelle (21) eine
Vielzahl von Vorsprüngen (25) aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorsprünge (25) kegel- oder
pyramidenförmig oder -stumpfförmig oder noppen
förmig ausgebildet sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die die Vorsprünge
(25) aufweisende Unterseite (26) und/oder Ober
seite (23) aus leitfähigem Silikonkautschuk
besteht.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Unter- und/oder
Oberseite in der von dem Dielektrikum entfernten
Schicht zur Erhöhung der elektrischen Leitfähig
keit ein Gewebe aus Metallfäden aufweist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum
(24) als Ebene, elektrisch nichtleitende Platte
ausgebildet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß nur die Unter- oder
die Oberseite mit Vorsprüngen (25) versehen
ist und die jeweils andere Ober- bzw. Unterseite
als ebene Platte ausgebildet ist, die zumindest
teilweise elektrisch leitend ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die ebene Platte auf einer
ihrer Oberflächen eine elektrisch leitende,
die Meßzelle in ihrer Geometrie festlegende
Beschichtung (26, Fig. 3) aufweist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die elektrisch leitende
Beschichtung rechteckförmig ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die elektrisch leitende
Beschichtung über eine gesonderte Leitung (31)
an die Spannungsquelle anschließbar ist.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte, mit
Vorsprüngen (25) versehene Ober- und Unterseite
(23 bzw. 26) elektrisch leitend ausgebildet
ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite (z.B.
Oberseite 23) mehrere parallel zueinander
verlaufende, streifenförmige Bereiche (35) mit
Vorsprüngen (25) und die andere Seite (z.B.
Unterseite 26) mehrere, ebenfalls parallel
zueinander und quer, vorzugsweise rechtwinklig
zu den streifenförmigen Bereichen auf der anderen
Seite des Dielektrikums (24) verlaufende
elektrisch leitende Streifen (36) unter Bildung
je einer Meßzelle in Form eines Kondensators
an der Kreuzungsstelle aufweist (Fig. 6).
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (25)
der einen Seite (z.B. Oberseite) als zumindest
eine oder mehrere zueinander parallel
verlaufende, sich in Richtung des Dielektrikums
(24) verjüngende Rippen (41, 42) aufweist.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß jede Meßzelle (21) auch auf der
anderen Seite (z.B. Unterseite) zumindest eine
oder mehrere zueinander parallel verlaufende,
sich auch in Richtung des Dielektrikums (24)
verjüngende Rippen (41, 42) aufweist.
15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rippen im Querschnitt
dreieck- oder halbkreisförmig ausgebildet sind.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen der Ober-
oder Unterseite (23 bzw. 26) im streifenförmigen
Bereich (40 bzw. 41) angeordnet sind.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der
Rippen mit einer gesonderten, elektrisch
nichtleitenden als Dielektrikum (24) wirkenden
Beschichtung (43) versehen sind.
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