DE3887757T2

DE3887757T2 - Druck- und kontaktsensorsystem zum messen.

Info

Publication number: DE3887757T2
Application number: DE3887757T
Authority: DE
Inventors: Michael Benjamin; Robert Golden; William Maness; Robert Podoloff
Original assignee: Tekscan Inc
Current assignee: Tekscan Inc
Priority date: 1987-10-02
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2008-09-30
Also published as: EP0379524B1; JP2904494B2; DE3887757D1; US4856993A; AU622425B2; AU2627988A; JPH03501221A; EP0379524A1; WO1989002727A1; CA1304967C

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Kontaktsensoren und spezieller das Gebiet dentaler Okklusionssensoren, die eine Messung von Zahnkontaktpunkten erlaubt, wenn der Kiefer eines Patienten geschlossen ist.

Hintergrund der Erfindung

Es ist häufig wünschenswert oder notwendig, bei zahnärztlichen Diagnoseverfahren die Okklusion zu messen oder die Kontaktpunkte zwischen den Zähnen des Patienten, wenn sie oder er die Kiefer schließt. Zum Anordnen und Anpassen vieler zahnärztlicher Vorrichtungen, wie künstlicher Zähne oder kieferorthopädischer Einrichtungen, sind Messungen der Okklusion beispielsweise notwendig. Solche Messungen gestatten es dem Benutzer festzustellen, wo die Zähne einander zuerst berühren, sie offenbaren Erhöhungen und andere nützliche Informationen.
Um eine genaue Messung der Okklusion zu ermöglichen, muß eine Okklusionsmeßvorrichtung extrem dünn sein, um die normale Ausrichtung der Zähne nicht zu stören. Ein Sensor muß auch eine sehr große räumliche Auflösung aufweisen, um eine brauchbare Information zu liefern und um zwischen Kontaktpunkten und Nichtkontaktpunkten der Zähne zu unterscheiden. Zusätzlich muß ein praktikabler Sensor im Mundgebrauch sicher und mit minimalem Training auch von technischen Laien handhabbar sein.
Bis vor kurzem waren die Typen von Okklusionssensoren für Zahnärzte zur Messung der Zahnokklusion begrenzt. Die gebräuchlichste Methode zur Messung der Zahnokklusion wird mit Hilfe eines Stücks kohlepapierartigen Materials, auf das der Patient beißt, durchgeführt. Ein anderer Okklusionssensor verwendet ein dünnes Plastikstück, um einen Abdruck der Okklusion bereitzustellen, der, wenn er mit polarisiertem Licht beleuchtet wird, die Kontaktpunkte durch unterschiedliche Farben anzeigt. Es ,gibt andere Verfahren um okklusale Untersuchungen durchzuführen, einschließlich Wachsabdrücke und Abgüsse von den Zähnen des Patienten; aber diese Methoden sind teuer, zeitaufwendig und nicht geeignet, um in größerem Umfang in Zahnarztpraxen angewandt zu werden.
Vor kurzem wurde ein neuer Kontaktsensor entwickelt, der, die Punkte ermittelt, wo der Sensor von beiden Seiten durch die Zahnoberflächen berührt wird. Der Sensor ist extrem dünn, in der Größenordnung von einigen tausendstel Millimeter und liefert eine hohe räumliche Auflösung, die es ermöglicht Kontaktpunkte, die 1,27 mm oder weniger auseinander liegen, zu unterscheiden. Dieser Kontaktsensor umfaßt zwei Gruppen paralleler Elektroden, die jede auf einer dünnen flexiblen Trägerschicht ausgeformt sind. Diese Elektroden sind dann mit einer dünnen druckempfindlichen Widerstandsschicht bedeckt. Zwei solcher Elektrodenstrukturen sind annähernd im rechten Winkel angeordnet, um da, wo die schneidenden Elektroden sich kreuzen, ein Gitter zu bilden. Dieser Sensor ist im US-Patent Nr. 4,734,034 betreffend einen Kontaktsensor zur Messung dentaler Okklusion und in der korrespondierenden internationalen Veröffentlichung WO 86/05678 beschrieben.
Bei diesem Sensor hat die Widerstandsschicht zwischen kreuzenden Elektroden einen hohen Widerstand, wenn kein äußerer Druck auf den Sensor ausgeübt wird. Der Widerstand wechselt abrupt zu einem vergleichsweise niedrigen Wert an den Orten, wo an zwei Kontaktpunkten oder -flächen äußerer Druck angewandt wird. Der Widerstand des Sensors wechselt hin und her, wenn ein äußerer Druck wiederholt angewandt und wieder weggenommen wird und erlaubt es damit mit einem einzigen Sensor wiederholt Messungen der einzelnen Kontaktpunkte durchzuführen. Die extreme Dünne des Sensors erlaubt es die Okklusion mit gar keiner oder nur einer geringen Änderung des Bisses des Patienten zu messen und die hohe Auflösung liefert einem Zahnarzt oder einem anderen Benutzer eine genaue Information über das Zusammenwirken der Zahnoberflachen. Der Sensor kann gleichzeitig Kontakte an jeder Elektrodenkreuzung entdecken. So können, während der Patient zubeißt, die wechselnden Muster der dentalen Okklusion überprüft werden um, wenn der Kiefer geschlossen ist, eine vollständige Abbildung der Okklusion des Patienten zu erhalten.
Die britische Patentanmeldung GB-A-2 115 555 beschreibt ein Beispiel eines Tastsensors, der eine zusammenpreßbare Matte eines elektrischen Widerstandsmaterials aufweist, die zwischen zwei rechtwinkligen Gruppen parallel beabstandeter Elektroden eingeschlossen ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Verbesserung der oben beschriebenen Sensoren und einen neuen Schaltkreis, der es erlaubt, eine Vielzahl von Druckebenen an den Punkten zu ermitteln, wo einander gegenüberstehende Oberflächen auf beiden Seiten des Sensors, sich durch den Sensor berühren. Der Sensor umfaßt zwei Gruppen paralleler Elektroden, die auf einer dünnen flexiblen Stützschicht ausgeformt sind und die ungefähr rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind. Eine Elektrodengruppe ist vollständig mit einem Material überzogen, dessen Widerstand eine Funktion des darauf aufgebrachten Druckes ist. Die zweite Gruppe von Elektroden besitzt ein druckempfindliches Material, das über jeder Elektrode in Streifen längs der Elektrode mit Abständen zwischen jedem Streifen angeordnet ist. So hat die zweite Schicht eine Vielzahl paralleler Streifen druckempfindlichen Materials, die voneinander elektrisch isoliert sind.
Die Ausgänge jeder Elektrodengruppe sind mit einer neuen Sensorschaltung verbunden, die den Widerstand zwischen jeder Kreuzung der einander gegenüberliegenden Elektrodengruppen mißt und ein Ausgangssignal liefert, das der Kraft mit der zwei einander sich gegenüberliegende Oberflächen berühren, entspricht. Die Sensorschaltung beinhaltet eine Schaltung, die den maximal möglichen Strom, der durch den Sensor fließen kann, begrenzt. Dies stellt sicher, daß keine gefährlichen Ströme in oder durch einen Patienten fließen, auch wenn im schlimmsten Fall der Patient den Sensor völlig durchbeißt und direkt die Elektroden berührt. Die vorliegende Erfindung bietet zusätzlich eine erhöhte Auflösung bei der Messung des Druckes zwischen einander berührenden Oberflächen, während sie einen höheren Sicherheitsgrad bietet.
Während die vorliegende Erfindung speziell geeignet ist, die Kräfte zu messen, die durch die dentale Okklusion herrühren, wenn der Kiefer einer Person sich schließt, sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung auch bei anderen Situationen angewandt werden kann, wo das Feststellen von Berührungen und die Messung der Kraft zwischen zwei sich gegenüberliegenden Objekten gefordert ist.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen dargestellt, bei denen:
Fig. 1 die Gesamtkonstruktion eines erfindungsgemäßen Sensors zeigt;
Fig. 2A & 2B eine vergrößerte Ansicht des Verhältnisses der Elektroden und des Widerstandsüberzuges ist;
Fig. 3 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen dem auf die Widerstandsschicht aufgebrachten Druck und des Widerstands selbst darstellt, ist;
Fig. 4A und 4B eine Konfiguration eines dentalen Okklusionssensors der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 einen Halter für den Sensor zeigt;
Fig. 6 eine vereinfachte Schaltung, die die Vorteile der neuen Sensorschaltung zeigt, darstellt;
Fig. 7 ein Schaubild, das die Veränderung der Schwellwerte der Sensorschaltung in Abhängigkeit vom Gesamtstrom durch den Sensor zeigt;
Fig. 8 eine Schaltung wie in Fig. 6, die verändert ist, um eine größere Zahl von Elektrodenreihen anzusteuern, zeigt.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt die Grundstruktur des Kontaktsensors, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Eine Oberschicht 50 wird so gefertigt, wie das nachfolgend beschrieben ist. Die Oberschicht 50 umfaßt eine flexible Stützschicht 52, auf der parallele Reihen von Elektroden 54 angebracht sind. Jede Elektrode ist mit einem entsprechenden Anschluß 56 verbunden, durch die der elektrische Kontakt zur Elektrode hergestellt wird. Eine Unterschicht 60 ist ähnlich aufgebaut und umfaßt mehrere Elektroden 64, die auf einer Stützschicht 62 angebracht sind und jeweils mit Anschlüssen 66 versehen sind.
In den Fig. 2A und 2B ist die Konstruktion der Ober- und Unterschicht des Sensors genauer gezeigt. In Fig. 2A bietet die Stützschicht 52 eine flexible Unterstützung für die Elektrodenreihen 54. In der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die Stützschicht aus einem Polyesterfilm, wie Mylar, gebildet. Andere ähnliche Filme wie Kapton, hergestellt von DuPont, können für die Stützschicht verwendet werden. Diese Materialien verbinden Dünne und Widerstandsfähigkeit in einem Material, das für die Anwendung im Mund in ein sauberes wasserfestes Paket eingefügt werden kann. Andere Materialien können für die Stützschicht verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrodenreihen 54 mit Methoden hergestellt, wie sie für die Herstellung von flexiblen gedruckten Schaltkreisen bekannt sind. Das Elektrodenmuster wird auf die Stützschicht 52 aufgebracht, indem eine elektrisch leitfähige Tinte direkt aufgedruckt wird. Andere Methoden können zur Herstellung der Elektroden verwendet werden einschließlich photoäzbaren Kupfers, das auf das Mylar oder die anderen Trägermaterialien auflaminiert wird. Siebdruck ist am besten geeignet, weil die sich ergebenden Leiter flexibler sind als die festen Kupferleiter.
Als nächstes werden die Elektroden mit einer Widerstandsschicht 72 bedeckt. Die Widerstandsschicht 72 wird aus einer druckempfindlichen Widerstandstinte gebildet, die weiter unten näher beschrieben wird und die auf die gesamte Oberfläche der Stützschicht 52 aufgebracht wird, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist.
Druckempfindliche Widerstandstinten sind Materialien, die gedruckt oder in anderer Weise in dünnen Schichten aufgebracht werden können und die dazu dienen, den Strom zu begrenzen, der durch sie hindurchfließt.
Fig. 2B zeigt die Konstruktion der Unterschicht 60, die Elektrodenreihen 64 umfaßt. Diese Elektroden sind auf der Bodenstützschicht 62 in der gleichen Art angebracht, wie oben schon in Verbindung mit der Oberschicht 50 in Fig. 2A beschrieben. Als nächstes werden die Elektrodenreihen 64 mit der druckempfindlichen Widerstandstinte bedeckt. Jedoch wird für die Elektrodenreihen die Tinte in Streifen 74 aufgebracht, die jede Elektrode bedecken aber nicht die Räume zwischen den Elektroden. Dadurch ist jeder Streifen 74 der druckempfindlichen Widerstandstinte von den angrenzenden Streifen elektrisch isoliert.
Um den ganzen Sensor zu bilden, werden die Ober- und die Unterschicht, die in den Fig. 2A und 2B gezeigt sind, so zusammengefügt, daß die Elektroden ungefähr rechtwinklig zueinander stehen, wie das in Fig. 1 gezeigt ist und so, daß die Widerstandsschichten 72 und 74 einander gegenüberstehen. Wie oben erklärt wurde, bietet die vorliegende Erfindung, verglichen mit dem Sensor wie er im oben erwähnten US-Patent beschrieben ist, eine verbesserte Ausführung, die eine Vielzahl von Ausgangsspannungspegeln, die verschiedenen Graden der Kraft zwischen den sich berührenden Oberflächen entsprechen, liefert. Um die Unterscheidung zwischen den verschiedenen Ebenen zu optimieren, wurde herausgefunden, daß ein anderer Typ druckempfindlicher Tinte besser geeignet ist, als die druckempfindliche Tinte, die bei der vorherigen Anordnung verwendet wurde. Typischerweise hat die Widerstandstinte, wie sie mit der hier beschriebenen Vorrichtung verwendet wird, einen Durchgangswiderstand, der deutlich geringer ist als der, der bei der vorigen Ausgestaltung des Sensors verwendet wurde. Daher ist der Strom, der zwischen benachbarten Spalten oder Elektrodenzeilen fließt, größer und vermag so tatsächlich, die Genauigkeit des Sensors zu beeinflussen. Wie weiter unten noch näher beschrieben wird, sind eine Elektrodenspalte und Elektrodenzeile ein "angesteuerter" Elektrodensatz und die anderen Spalten und Zeilen sind der "messende" Elektrodensatz. Eine elektrische Isolation muß nur zwischen der druckempfindlichen Tinte über den Elektrodenreihen auf der messenden Seite vorgesehen werden. In der hier beschriebenen Vorrichtung stellen die Elektrodenspalten die messenden Elektroden dar, es können aber genausogut die Elektrodenzeilen als messende Elektroden verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung hat die druckempfindliche Tinte eine linearere Widerstands/Kraft Charakteristik als das Material in den Sensoren, wie es im oben erwähnten US-Patent beschrieben ist. Das ermöglicht der Sensorschaltung viele verschiedene Kraftniveaus, die auf die sich berührenden Oberflächen aufgebracht werden, zu entdecken und zu unterscheiden. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Widerstandstinte verwendet, die aus einer Karbon-Molibdän-Disulfid Tinte in einem Acrylbindemittel besteht und die eine Widerstands/Kraft Charakteristik hat, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. In Fig. 3 entspricht die vertikale Achse dem Widerstand, wie er zwischen Spalten- und Zeilenelektrode an einem speziellen Kreuzungspunkt des Sensors gemessen wird. Die horizontale Achse stellt die Kraft in Kilogramm dar, die auf den Sensor durch eine Stahlkugel mit 3,075 mm Durchmesser direkt über der Kreuzung, an der der Widerstand gemessen wird, aufgebracht wird.
Die Technik zur Herstellung und Aufbringung von Widerstandstinten ist gut entwickelt. Siehe beispielsweise Screen Printing Electronic Circuits von Albert Kasoloff, 1980; und Circular No. 530 vom National Bureau of Standards, U.S. Government Printing Office. Eine Widerstandstinte mit der Charakteristik, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, kann aus handelsüblichen Komponenten gemischt werden. Die folgende Rezeptur verwendet zum Beispiel Produkte von Acheson Colloids Company in Port Huron, Michigan: 80% Dielektrikum Katalognummer 5524210, 10% Graphit Katalognummer 42355, 10% Molibden-Disulfid Katalognummer 5524476. Andere Tinten, die für eine Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, beinhalten ein Produkt Nummer 55-01-4402-0000 der Chomerics, Inc., Woburn, Massachusetts und eine kraftempfindliche Widerstandstintenzusammensetzung der Interlink Electronics Company, Santa Barbara, California. Ein praktisch ausgeführter Sensor für eine zahnärztliche Verwendung sollte so gestaltet sein, daß er zwischen den Patienten nicht sterilisiert werden muß. Fig. 4A zeigt eine Ausgestaltung des Sensors, bei der die obere und untere Elektrodenanordnung zugleich auf einer einzigen Stützschicht angeordnet sind. In Fig. 4A hat die Stützschicht Elektrodenspalten 64 auf ihrer einen Hälfte und Elektrodenzeilen 54 auf ihrer anderen Hälfte. Die Zeilen- und Spaltenelektroden weisen ein Gebiet 88 auf, wo die Zähne sich einander von entgegengesetzten Seiten berühren. Im Gebiet außerhalb der sich berührenden Zahnoberflächen befinden sich Leiterbahnen 96, die zur Verbindung der Elektrodenzeilen und -spalten 54 und 64 mit Anschlußflächen 93 zur Verbindung mit einem Verbindungsstecker dienen.
Fig. 4B zeigt das Muster für eine Isolierschicht, die oberhalb des Elektroden- und Anschlußmusters der Fig. 4A angeordnet ist. Die Isolierschicht verhindert Kontakte zwischen den Leiterbahnen 96, wenn der Sensor in seine Endkonfiguration gefaltet wird.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des Sensors beginnt mit dem Aufdrucken der in Fig. 4A gezeigten Leiterbahnen auf eine Stützschicht aus Mylar oder einem anderen geeigneten Material durch ein 325 maschiges Sieb, das im Winkel von 45 Grad zu den Elektrodenzeilen und -spalten angebracht ist. Dann wird die in Fig. 4B gezeigte Isolierschicht über die Leiterbahnen gedruckt, um den ganzen Sensor mit Ausnahme des Bereichs, wo sich die Elektrodenzeilen und -spalten kreuzen, zu bedecken. In der Isolierschicht sind Löcher 99 vorgesehen, um eine Verbindung zum Sensor über die Anschlußflächen 93 herzustellen. Die Isolationsschicht wird bevorzugt durch ein 200 maschiges Sieb gedruckt. Als nächstes wird die druckempfindliche Tinte als Schicht über den Elektrodenzeilen und in Streifen über den Elektrodenspalten unter Verwendung eines 325 maschigen Siebes angebracht. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Elektrodenspalten 0,76 mm breit und 0,508 mm voneinander getrennt. Die druckempfindliche Tinte, die über diesen Spalten aufgebracht wird, ist 1,016 mm breit und sollte mit einer Genauigkeit von +/- 0,127 mm gegenüber den Spalten aufgebracht werden.
Als nächstes wird ein haftendes Material entlang der Kanten des Sensors aufgebracht. Der Sensor wird dann in die Form geschnitten, die in Fig. 4A durch das Stützschichtmaterial gezeigt ist. Durch Falten des Sensors entlang der Faltlinien, die durch gepunktete Linien 97 dargestellt sind, wird der Sensor so geformt, daß die Zeilen- und Spaltenelektroden sich kreuzen und sich die zwei Anschlußflächen 93 berühren, um den Sensor dann in eine Haltevorrichtung 92, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, zu schieben. Um den Sensor zusätzlich zusammenzuhalten, wird eine Lasche 95 wird über den "Nackenteil" gefaltet, der die Leiterbahnen enthält, die die Elektrodenzeilen und -spalten, mit den Verbindungsflächen 93 verbinden.
Um einen dentalen Okklusionssensor herzustellen, kann der in Fig. 4 gezeigte Sensor in eine Form gebracht werden, die für eine Verwendung im Mund geeignet ist, so wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. In Fig. 5 ist der Sensor 60 mit einem schraffierten Elektrodengebiet 88 dargestellt, das zeigt, wo der Patient auf den Sensor beißt. Die Signale vom Sensor werden mit einem mehradrigen Kabel 94, das mit einem Stecker 92 mit dem Sensor verbunden ist, zur Meßelektronik geführt. Signale von den Elektroden im Gebiet 88 werden zum Stecker 92 über Leiter in der Stützschicht 90 geführt, wie das oben unter Bezugnahme auf Fig. 4A beschrieben wurde. Der Stecker 92 kann direkt mit den Anschlußflächen 93 auf dem Sensor 60 verbunden sein, ohne ein passendes am Sensor angebrachtes Verbindungsglied zu benötigen. Auf diese Art kann leicht ein preiswerter oraler Sensor hergestellt werden, der als Wegwerfsensor verwendet werden kann. Das erleichtert die Handhabbarkeit, da keine Sterilisation zwischen den Patienten notwendig ist und es vermindert die Möglichkeit einer Übertragung von Keimen, verursacht durch eine ungenügende Sterilisation des Sensors zwischen den Anwendungen. In Fig. 6 ist ein beispielhaft er Schaltkreis für das Erfassen der Ausgangssignale des oben beschriebenen Sensors dargestellt. Wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt, kann die Schaltung den Widerstand an jeder Kreuzung der Zeilen- und Spaltenelektroden messen, um eine Anzeige für die Kraft zu liefern, die an den gegenüberliegenden Seiten an jedem dieser Kreuzungspunkte aufgebracht wird. Die Schaltung hat Vorteile gegenüber bekannten Schaltungen.
Die Schaltung nach Fig. 6 liefert eine größere Auflösung bei der Druckmessung, ist einfacher und begrenzt den maximal möglichen Strom, mit dem ein Patient in Berührung kommt, auf einen vernachlässigbaren Wert.
In Fig. 6 ist der Sensor durch den Abschnitt 100 dargestellt, der die Kreuzung von vier Spaltenelektroden 101 bis 104 und vier Zeilenelektroden 201 bis 204 zeigt. Wie weiter unten gezeigt wird, wird ein praktisch ausgeführter Sensor mehr Zeilen und Spalten haben. Die Kreuzung von jeder der Zeilen- und Spaltenelektroden ist durch einen veränderlichen Widerstand gekennzeichnet, der eine Funktion des Druckes ist, der auf jede Kreuzung aufgebracht wird. Diese Widerstände sind in der Fig. 6 durch die Widerstände R&sub1;&sub1; bis R&sub4;&sub4; dargestellt, wobei die Indizes, die zu jedem Widerstand gehörenden Spalten und Zeilen darstellen. Die Spaltenelektroden 201 bis 204 sind mit der Schaltung von Fig. 6 durch Leiter 206 verbunden, die Teile des Kabels 94 sind.
Jede der Elektrodenzeilen ist mit einem einpoligen analogen Schaltkontakt 211-214 verbunden. Typischerweise sind diese Analogschalter in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet. Die zweiten Pole der Analogschalter 211-214 sind mit Erde verbunden. Dadurch kann jede der Zeilen 201-204 wählbar mit Erde verbunden werden, indem die damit verbundenen Analogschalter 211-214 betätigt werden.
Die Analogschalter 216 werden durch eine digitale 2 Bit - 4 Ader Dekoderschaltung 218 angesteuert. Als Antwort auf eine 2 Bit Zeilenadresse, die an die Eingänge 219 gelegt wird, aktiviert der Dekoder die entsprechenden Ausgangsleitungen 221-224 und öffnet den entsprechenden Schalter in Schaltung 216, während die anderen drei Ausgänge auf niedrigem Pegel bleiben. So dienen die Schaltung 216 und 218 zur Erdung aller Zeilenelektroden mit Ausnahme der Elektrode, die durch die an Leitung 219 angelegte Adresse angegeben ist.
Die Zeilenadresse wird auch an die Steuereingänge eines 4 zu 1 Analog-Multiplexer-Schaltkreises 230 gelegt. Jeder der vier gemultiplexten Leitungen 231-234 des Multiplexers 230 ist mit einer entsprechenden Elektrodenreihe 201-204 verbunden. Die Spannung vtest ist an den gemeinsamen Eingang des analogen Multiplexers 230 angelegt und wird durch die Multiplexerschaltung 230 selektiv an eine der Elektrodenreihen angelegt.
Die Spaltenelektroden 101-104 sind durch Leiter 106 im Kabel 94 mit den Eingängen eines 4 zu 1 Analog-Multiplexer- Schaltkreises 110 verbunden. Eine 2 Bit Spaltenadressignal ist an die Steuereingänge 112 des Multiplexers 110 angelegt. Die gemeinsame Leitung 114 des Multiplexers 110 ist mit dem Eingang eines Verstärkerschaltkreises 116 verbunden. Dadurch wird als Antwort auf das Spaltenadressignal auf den Leitungen 112 eine der Spaltenelektroden 101 bis 104 ausgewählt und mit dem Eingang des Verstärkers 116 verbunden.
Der Verstärker 116 ist eine übliche Operationsverstärkerschaltung, die einen Rückkoppelungswiderstand Rf umfaßt, der den invertierenden Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbindet. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 118 ist geerdet. Ein Kondensator ist parallel zum Widerstand Rf geschaltet, um zu gewährleisten, daß keine hochfrequenten Schwingungen auftreten. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Kondensator einen Wert von 50 pF und der Widerstand Rf einen Wert von 120 Kiloohm. Der Ausgang des Verstärkers 116 ist mit dem Eingang einer Vierebenen-Vergleichsschaltung 122 verbunden. Wenn die Adresseingabe auf den Leitungen 112 zum Multiplexer 110 wechselt, kann das Ausgangssignal des Multiplexers manchmal Rauschspannungsspitzen enthalten. Die Rauschspannungsspitzen können den Vergleichsschaltkreis 122, der auf den Verstärker 116 folgt, in die Sättigung treiben. Die Filterung durch den Kondensator 120 hält die Spitzen teilweise zurück. Zusätzlich ist zwischen einer Spannung von 0,7 V und dem Ausgang des Verstärkers 116 unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 119 eine Diode 117 angeordnet. Die Diode 117 ist von der 0,7 V Spannungsquelle zum Verstärkerausgang in Durchlaßrichtung geschaltet. Die Diode 117 sorgt dafür, daß der Ausgang des Verstärkers 116 nicht auf einen negativen Spannungspegel geht. So eine negative Ausgangsspannung könnte den nachfolgenden Vergleicherschaltkreis in die Sättigung treiben.
Die Spannung Vtest, die an den Multiplexer 230 gelegt wird, wird von einer Referenzspannung VR abgeleitet, die über einen Widerstand RP an die Leitung 235 gelegt ist. Die Referenzspannung VR ist eine geregelte Spannung mit einem festen Wert.
Der Strom, der von der geregelten Spannungsversorgung durch den Widerstand RP fließt, liefert die Spannung Vtest auf der Leitung 235. Die relativen Widerstände des Widerstandes RP und der Kreuzungswiderstände des Sensors 100 bestimmen den Wert der Spannung Vtest, wie dies im Einzelnen weiter unten beschrieben ist.
Indem die Spannung Vtest in dieser Weise abgeleitet wird, ist der maximale Strom, der in den Sensor 100 fließt, begrenzt auf einen Wert VR/RP. Das garantiert, daß es keine Möglichkeit gibt, daß ein gefährlicher Strom aufgrund einer Fehlfunktion des Sensors durch den Patienten fließt. Zum Beispiel kann ein Patient, der die Mylar-Außenschicht des Sensors völlig durchbeißt, direkt in Kontakt geraten mit einer oder mehreren der Spaltenelektroden 201-204. Der Wert des Widerstandes RP begrenzt den maximalen Strom, der in einem solchen Fall durch den Patienten fließen kann und stellt somit einen wichtigen Sicherheitsfaktor dar. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Wert von VR 1,2 V und der Wert von RP 18 Kiloohm, was einen maximalen Strom von 67 Mikroampere ergibt. Dieser Wert ist kleiner als der 70 Mikroampere Maximalleckstrom für medizinische Geräte, wie er durch Underwriters Laboratory Standards festgelegt wurde.
Die Vergleichsschaltung 112 umfaßt drei Doppeleingangsvergleicher 126-128. Das Ausgangssignal des Verstärkers 116 wird an den positiven Eingang jeder dieser drei Vergleichsschaltungen angelegt. Die negativen Eingänge der Vergleichsschaltungen 126-128 werden mit drei unterschiedlichen Spannungen versorgt. Wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 von Null auf einen maximalen Wert steigt, werden die Ausgänge der Vergleichsschaltungen 126 bis 128 nacheinander von einem niedrigen auf einen hohen Zustand umschalten und sie liefern damit am Ausgang eine Anzeige über vier unterschiedliche Spannungspegel. Diese Spannungspegel geben an, in welchem von vier verschiedenen Kraftbereichen die gemessene Kraft liegt.
Die Referenzspannungspegel, die an die Vergleichsschaltungen 126 bis 128 angelegt werden, sind abgeleitet von der Spannung Vtest auf Leitung 235. Wie weiter unten erläutert wird, schwankt der Wert der Spannung Vtest abhängig von der Zahl der gleichzeitig durch den Sensor 100 ermittelten Kontakte. Je mehr Kontakte geschlossen sind, desto mehr Strom fließt aus der Referenzspannungsquelle VR; so fällt die Spannung über dem Widerstand RP und folglich variiert Vtest. Indem die Referenzspannungen, die den Vergleichsschaltungen 126 bis 128 zugeführt werden, von der Spannung Vtest abgeleitet werden, hängen die Ausgangsspannungen des Vergleichsschaltkreises nur von der Größe des Sensorwiderstandes an der gerade ausgewählten Kreuzung ab und sind unabhängig von der Größe der Spannung Vtest.
Die Spannung Vtest wird einem Pufferverstärker zugeführt, der aus einem als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker 140 besteht. Der Ausgang des Pufferverstärkers 140 ist über einen Eingangswiderstand 144 zum invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 146 im Verstärkerschaltkreis 142 geführt. Der Rückkoppelungswiderstand 148 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 146 mit seinem invertierenden Eingang. Die Verstärkung des Verstärkerschaltkreises 142 wird bestimmt durch die relativen Werte der Widerstände 144 und 148. In der bevorzugten Ausführungsform hat die Verstärkerstufe 142 einen Verstärkung von ungefähr 6.
Der Ausgang des Verstärkers 142 ist über einen niederwertigen Widerstand 150 mit dem Eingang des Pufferverstärkers 152 verbunden. Der Pufferverstärker 152 ist mit Hilfe eines Operationsverstärkers ausgeführt, bei dem der Ausgang mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, um einen Verstärker mit einheitlicher Verstärkung zu erhalten. Der Ausgang des Pufferverstärkers 152 ist mit einem Spannungsteiler verbunden, bestehend aus drei Widerständen 161-163, die in Serie geschaltet sind zwischen dem Ausgang des Verstärkers und Erde. Der Ausgang des Verstärkers 152 ist direkt mit dem zweiten Eingang der Vergleicherschaltung 128 verbunden. Die Verbindung zwischen den Widerständen 162 und 161 ist mit dem invertierenden Eingang des Vergleichers 127 verbunden, um eine Referenzspannung zu erhalten; und gleichzeitig liefert die Verbindung zwischen den Widerständen 162 und 163 die Referenzspannung für den Vergleicher 126. Zwischen der positiven Spannung VS und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 152 ist eine in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 154 in Serie mit einer in Sperrichtung vorgespannten Zenerdiode 156 geschaltet. Wie weiter unten beschrieben ist, verhindern diese Dioden in Verbindung mit Widerstand 150 unter bestimmten Bedingungen falsche Ausgangssignale.
Der Schaltkreis in Fig. 6 arbeitet in der folgenden Weise. Jede Zeilen- und Spaltenelektrodenkreuzung wird sequentiell abgefragt, um den Widerstand der druckempfindlichen Tinte an dieser Kreuzung zu messen, um eine Anzeige zu liefern über die Kraft, die auf den Sensor an dieser Stelle aufgebracht wird. Die Zeilen und Spalten, die gemessen werden sollen, werden ausgewählt durch die Spaltenadressen, die an die Leitungen 112 angelegt werden und die Zeilenadressen, die an die Leitungen 219 gelegt werden. In Fig. 6 ist die Schaltung gezeigt mit ausgewählter Zeile 1 und Spalte 3, um den Wert des Widerstand R&sub1;&sub3; zu messen.
Wenn Zeile 1 ausgewählt ist, verbinden der Dekoder 218 und die analogen Schalter 216 die Zeilen 2, 3 und 4 mit Erde. Die Spannung Vtest ist durch den analogen Multiplexerschaltkreis 230 an die Zeilenelektrode 1 gelegt. So haben die Widerstände R&sub1;&sub1;, R&sub1;&sub2;, R&sub1;&sub3; und R&sub1;&sub4; alle eine von Null verschiedene Spannung gleich der Spannung Vtest, die an ihre Zeilenelektrodenanschlüsse angelegt ist.
Die ausgewählt Spaltenelektrode wird durch den Operationsverstärker 118 auf virtuellem Erdpotential gehalten und alle Zeilen bis auf die ausgewählte Zeile werden durch die analogen Schalter 216 auf Erdpotential gehalten. Dadurch ist die Spannung über allen Widerständen, die mit der ausgewählten Spalte verbunden sind, Null bis auf den Widerstand, der mit der ausgewählten Zeile verbunden ist. Als Ergebnis enthält der Strom in der Leitung 106 für die ausgewählte Spalte nur Strom, der durch den mit der Kreuzung an der ausgewählten Spalte und Zeile verbundenen Widerstand fließt. Die Größe dieses Stromes hängt jedoch vom Wert der Spannung Vtest ab.
Die ausgewählte Spalte ist durch den analogen Multiplexerschaltkreis 110 mit dem Eingang des Verstärkers 116 verknüpft, während bei den übrigen Spalten die Verbindung durch den Multiplexer gelöst ist. Der Eingang des Verstärkers 116 wird durch die Rückkoppelungsverbindung des Operationsverstärkers 118 auf virtuellem Erdpotential gehalten. Dadurch ist der durch den Widerstand R&sub1;&sub3; fließende Strom gleich Vtest/R13. Dieser Strom wird in einen Spannungspegel umgesetzt und durch den Verstärker 116 verstärkt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 wird an den Eingang des Vergleicherschaltkreises 122 gelegt. Die einzelnen Vergleicherschaltkreise vergleichen die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 mit Referenzspannungen, die an ihre invertierenden Eingänge angelegt sind. Auf diese Art liefern die Ausgangsspannungen des Vergleicherschaltkreises 122 eine Anzeige, in welche der vier Spannungsbereiche die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 fällt.
Man erhält mehr als vier Auflösungsebenen, wenn man zum Vergleicherschaltkreis 122 weitere Vergleicherschaltkreise und zum Spannungsteiler 161-163 weitere Widerstände hinzufügt. Alternativ dazu kann der Vergleichsschaltkreis 122 durch einen verhältnisbildenden Analog-Digital Wandler ersetzt werden. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung des Verstärkers 152 an den Referenzeingang des A/D Wandlers gelegt und das Signal von Verstärker 116 wird an den messenden Eingang gelegt.
Die Spannung Vtest ändert sich in Abhängigkeit davon, wieviel Kontakte des Sensors geschlossen werden. Das rührt vom Strom her, der durch die anderen Widerstände fließt, die die nicht ausgewählten Spalten mit den nicht ausgewählten Zeilen, die auf Erdpotential gehalten werden, verbinden. Zum Beispiel fließt, wenn der Meßwiderstand R&sub1;&sub3; mit der Schaltung verbunden ist, wie das in Fig. 6 gezeigt ist, Strom durch Leitung 231 durch den Widerstand R&sub1;&sub4; und in die vierte Spaltenelektrode 104. Dieser Strom fließt dann durch die Widerstände R&sub2;&sub4;, R&sub3;&sub4; und R&sub4;&sub4; zu den Elektroden der Reihen 1, 2 und 3, die durch den Analogschalter 216 auf Erdpotential gehalten werden. Die Werte des Widerstandes in der vierten Spalte variieren in Abhängigkeit von der Kraft, die an jedem Kreuzungspunkt aufgebracht wird. Das Gleiche passiert bei den nicht ausgewählten Spalten eins und zwei. Dadurch hängt der Gesamtstrom durch den Widerstand RP ab von der Zahl, dem Ort und der Stärke der auftretenden Kontakte. Indem die Referenzspannungen, die den Vergleichsschaltkreisen 126-128 zugeführt werden von der Spannung Vtest abgeleitet werden, ist die Ausgangsspannung des Vergleichsschaltkreises 122 unabhängig von der Zahl der im Sensor auftretenden Kontakte. Als Ergebnis ist die Ausgangsspannung des Vergleicherschaltkreises 122 nur eine Funktion des Widerstandes, an den ausgewählten Zeilen- und Spaltenelektroden.
Dies erkennt man anhand der folgenden Erläuterung. Es wird wieder angenommen, daß der Widerstand R&sub1;&sub3; gemessen wird. Für eine vorgegebene Anzahl von Kontakten und Drücken, wird ein Strom der Größe 11 durch den Widerstand RP fließen, um die Spannung Vtest zu erzeugen. Teile dieses Stromes werden durch den Widerstand an der ausgewählten Kreuzung fließen und Teile des Stromes werden durch andere Widerstände fließen. Es sei weiter angenommen, daß die Kontakte an der nicht ausgewählten Kreuzung variieren, so daß der Gesamtstrom, der durch den Widerstand RP fließt, variiert. Das ergibt eine Testspannung von K * I&sub1; * RP, wobei K der Faktor ist mit dem der fließende Strom variiert. Die Spannung Vtest ändert sich mit einem Faktor von K und der Strom, der durch den Widerstand R&sub1;&sub3; fließt ändert sich auch mit einem Faktor von K. Dadurch variiert gleichermaßen die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 mit einem Faktor von K. Da die Referenzspannungen, die an die Vergleicherschaltkreise 126-128 gelegt sind, auch von Vtest abgeleitet sind, wird sich jede dieser Referenzspannungen gleichermaßen mit einem Faktor von K ändern. Solange beide Spannungen, die an die beiden Eingänge der Vergleicherschaltungen 126-128 gelegt werden, sich um den im Verhältnis gleichen Betrag ändern, wird die Ausgangsspannung des Vergleichsschaltkreises, die angibt welche der beiden Spannungen größer ist, unabhängig von dem Wert von Vtest sein.
Fig. 7 zeigt die Veränderung der Schwellwertspannungen im Vergleicherschaltkreis 122, wenn der Gesamtstrom durch den Sensor sich ändert. In Fig. 7 ist auf der horizontalen Achse der Druck an einer speziellen Elektrodenkreuzung angegeben. Die vertikale Achse gibt die Spannung an. Drei Linien in Figur 7 geben die hohe, mittlere und niedere Schwellwertspannung an, die an die Vergleicherschaltkreise 126-128 gelegt sind. Bei niedrigen Drücken fließen nur geringe Mengen Strom durch den Widerstand an der ausgewählten Kreuzung, die Spannung Vtest ist relativ hoch und die Schwellwertspannungen befinden sich, wie dargestellt ist, links und rechts der Kurve. Wenn der Druck zunimmt, nimmt der Widerstand an der ausgewählten Kreuzung ab. Dies verursacht einen zusätzlichen Strom durch den Widerstand RP und vermindert den Wert der Spannung Vtest. Weil die Referenzspannungen, die an die Vergleicherschaltkreise 126-128 gelegt sind, der Spannung Vtest folgen, vermindern sich die Schwellwertspannungen der drei Vergleichsschaltungen gleichermaßen. Durch die nichtlineare Widerstands-Kraft Kennlinie der Tinte, ist die Druck-zu-Spannungs-Kurve der Fig. 7 auch nichtlinear. Dioden 154 und 156 zwischen einer positiven Spannung V&sub5; und dem Eingang des Verstärkers 152 sorgen dafür, daß die Referenzspannungen, die an die Vergleichsschaltkreise 126-128 gelegt werden, nicht unter einen wählbaren Wert fallen. Wenn durch den Kontaktsensor mehr Kontakte geschlossen werden, sinkt die Spannung Vtest. Wenn die Spannung Vtest sinkt, dann sinken auch die Spannungen, die an die Vergleichsschaltkreise gelegt werden. An manchen Punkten kann die Differenz zwischen diesen Spannungen so niedrig sein, daß das Rauschen im Schaltkreis, wie zum Beispiel Wechselspannungsinterferenzen, die durch das Kabel 94 aufgefangen werden, fehlerhafte Ergebnisse verursacht. Diode 154 und Diode 156 sorgen dafür, daß die Spannung, die an den Spannungsteiler gelegt wird und die die Referenzspannungen für die Vergleichsschaltkreise liefert, nicht unter einen wählbaren Minimalwert sinkt. Als Sicherheitsmaßnahme beschränkt Widerstand 150 den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers 146.
Bei Fehlen der Schwellwertspannungsbegrenzung, die durch die Dioden 154 und 156 geliefert wird, würden die drei Schwellwertspannungen die horizontale Achse an einem Punkt schneiden, wo der Widerstand über der Kreuzung praktisch Null ist, wie das durch die gestrichelten Linien in Fig. 7 gezeigt ist. An diesem Punkt würde die Spannung Vtest auch Null sein. Wenn man sich diesen Bedingungen nähert, so wird der Schaltkreis mehr und mehr rauschempfindlich. Der Schwellwertbegrenzungsschaltkreis vermeidet dies, indem er, sobald die Schwellwertspannung erreicht ist, auch bei weiter steigendem Druck die Schwellwertspannungen konstant hält.
Obwohl die obige Erklärung anhand eines einzigen Kreuzungswiderstandes erfolgte, erfolgt der gleiche Ablauf auch, wenn mehrere Kontakte durch den Sensor geschlossen werden. Der Gesamtstrom durch den Widerstand RP ist eine Funktion aller Ströme, die durch den Sensor fließen, und daher sinken die Spannung Vtest und die Schwellwertspannungen für die Vergleichsschaltungen 126-128 desto mehr, je mehr Kontakte über dem gesamten Sensorgebiet geschlossen werden.
Der Schwellwertspannungsschaltkreis bietet auch Schutz gegen einen Kurzschluß zwischen einer Zeilen- und einer Spaltenelektrode. Wenn so ein Kurzschluß ohne Schwellwertspannungsschaltkreis auftritt, so würden der Sensor und die Schaltung unzuverlässige oder zufällige Ergebnisse entlang jeder Kreuzung liefern, die mit der kurzgeschlossenen Spalte in Verbindung steht, da beide Eingangsspannungen an jeder Vergleichsschaltung Null wären. Der beschriebene Schwellwertspannungsschaltkreis verhindert, daß so etwas auftritt. Wenn ein Kurzschluß vorliegt, werden durch den Schwellwertspannungsschaltkreis keine Ausgangsspannungen an der kurzgeschlossenen Zeile vorhanden sein. Dabei werden diese Daten vorteilhafterweise einer Aufsichtsperson angezeigt, da benachbarte nicht kurzgeschlossene Zeilen wahrscheinlich Kontaktpunkte in der Umgebung der kurzgeschlossenen Zeile anzeigen.
Der Leckstrom durch die Zenerdiode 156, bevor diese ihre Zener-Durchbruchsspannung erreicht, kann beträchtlich sein. Der Leckstrom durch die Zenerdiode 156 wird durch Widerstand 150 fließen und einen höheren als den gewünschten Schwellwert bilden. Daher ist es wichtig Widerstand 150 auf einem genügend kleinen Wert zu halten, der sicherstellt, daß ein Leckstrom durch die Zenerdiode nicht eine merkliche Beeinflussung der dem Vergleicherschaltkreis 122 zugeführten Schwellwertspannung verursacht. In der vorliegenden Ausführungsform hat der Widerstand 150 einen Wert von 47 Ohm.
Schaltkreise gemäß dem Stand der Technik ähnlich Fig. 6 verwenden zur Ansteuerung der Zeilenelektroden eine feste Referenzspannung statt der Spannung Vtest, wobei jedoch eine solche Lösung keine Strombegrenzung liefert, die notwendig ist, um sicherzustellen daß ein Patient nicht in Gefahr gebracht wird. In der vorliegenden Erfindung sinkt, wenn die Zahl der geschlossenen Kontakte steigt, die Spannung Vtest, um so den Maximalstrom zu begrenzen.
Wenn die Zahl der Kontakte steigt, steigt der Strom durch den Widerstand RP und der Wert von Vtest sinkt. Dies erniedrigt wirksam den Referenzstrom, der durch den Widerstand an der ausgewählten Kreuzung fließt. Dadurch wird die erzielbare Auflösung zwischen den Druckebenen möglicherweise vermindert. In der Praxis ist das aber kein Problem, weil bei einer typischen Okklusion nur relativ wenig Kontakte auftreten, und die ersten wenigen Kontakte, die wichtigsten sind. Wegen dieser ersten wenigen Kontakte ist eine hohe Auflösung notwendig, um die Kontakte und Drücke genau zu messen. So erniedrigt also der in Fig. 6 dargestellte Schaltkreis die Größe des Referenzstroms, wenn mehrere Kontakte geschlossen werden und garantiert damit die Sicherheit des Patienten.
Wie oben ausgeführt wurde, erfordert die vorliegende Ausführungsform der Erfindung, daß auf einer Elektrodengruppe die Widerstandstinte in Streifen aufgebracht ist, die voneinander isoliert sind. Den Grund dafür sieht man, wenn man Fig. 6 betrachtet. In Fig. 6 sind die Zeilenelektroden die angesteuerten Elektroden und sie sind bedeckt mit einer druckempfindlichen Widerstandstinte 72, die alle Elektroden bedeckt, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist. Dadurch können durch die Widerstandstinte zwischen den Zeilenelektroden Ströme fließen. Der Widerstand zwischen den Zeilen ist in Fig. 6 durch die Widerstände 301-303 dargestellt. Der Strom durch diese Widerstände beeinflußt die Messung nicht, weil keine dieser Ströme durch den an der ausgewählten Kreuzung zu messenden Widerstand fließen wird.
Die Spaltenelektroden sind die messenden Elektroden und es ist wichtig, daß sie voneinander isoliert sind und deswegen ist die druckempfindliche Widerstandstinte in Streifen über jeder Elektrodenspalte angebracht, um eine elektrische Isolation zwischen den Elektroden aufrechtzuerhalten. Wenn die druckempfindliche Widerstandstinte über der gesamten Spaltenelektrodengruppe verteilt wäre, könnte Strom durch die Widerstände zwischen den Elektrodenspalten in die ausgewählte Spaltenelektrode fließen. Dies ist durch Widerstand 107 dargestellt, der als Verbindung zwischen den Spalten 2 und 3 gezeigt ist. Dieser Widerstand repräsentiert den Strompfad zwischen den Elektrodenspalten, der dann auftritt, wenn die druckempfindliche Widerstandstinte,, die Elektrodenspalten 2 und 3 verbindet. Es würde dann ein Strom fließen durch Zeilenelektrode 201, durch den Widerstand R&sub1;&sub2;, durch die Spaltenelektrode 102 und schließlich durch den Widerstand 107 in die Spaltenelektrode 103. Dieser Leckstrom würde die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 118 beeinflussen und würde zu einer fehlerhaften Messung des Widerstandes R&sub1;&sub3; führen.
Es ist vorteilhaft die druckempfindliche Widerstandstinte sowohl auf die Spalten- als auch die Zeilenelektroden aufzubringen, um einen zusätzlichen Schutz gegen Lücken in der druckempfindlichen Widerstandstinte zu bieten, wie sie beim Druckprozeß auftreten können. Staubpartikel und andere Verunreinigungen können kleine Löcher in der druckempfindlichen Widerstandstinte verursachen. Wenn nur die Zeilenelektroden bedeckt sind, kann beispielsweise ein einziges Loch über einer Zeilenelektrode, einen Kurzschluß zwischen dieser Elektrode und der gegenüberliegenden Spaltenelektrode verursachen. Indem die Spalten- und die Zeilenelektroden mit druckempfindlicher Widerstandstinte überzogen werden, treten keine Kurzschlüsse auf, es sei denn daß sich Unregelmäßigkeiten in den aufgebrachten Tintenschichten einander gegenüber liegen.
Es sind auch andere Anordnungen für die druckempfindliche Widerstandstinte möglich. Beispielsweise können die Elektrodenzeilen mit Streifen bedeckt sein ähnlich denen der Spaltenelektroden. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß das Aufbringen von Streifen auf den Zeilenelektroden einen präziseren Druckprozeß erfordert und so die Herstellung des Sensors schwieriger macht. Daher sind in der bevorzugten Ausführungsform die Zeilenelektroden mit einer durchgehenden Schicht der Widerstandstinte bedeckt, während die Spaltenelektroden mit Streifen bedeckt sind. Ein einsatzfähiger Sensor kann mit irgendeiner der nachfolgenden Kombinationen der Widerstandsbeläge für die Zeilen- beziehungsweise Spaltenelektroden hergestellt werden: durchgehend und Streifen; in Streifen und in Streifen; in Streifen und gar kein Überzug; und gar kein Überzug und Streifen.
Mit der in Fig. 6 gezeigten Schaltung kann der Widerstand an mehreren Kreuzungen entlang einer einzelnen Zeile gleichzeitig gemessen werden. Anders ausgedrückt, es können mehrere Spaltenmessungen zur gleichen Zeit gemacht werden, um den Widerstand zwischen jeder gemessenen Spalte und der ausgewählten Zeile zu messen. Um die Impedanzen an mehreren Spalten zu messen, müssen einzelne Meßschaltungen einschließlich eines Verstärkers 116 und einer Vergleichsschaltung 122 für jede der zu messenden Spalten vorgesehen werden. Der Spannungsteiler 161-163, der die drei Schwellwertspannungen liefert, kann von den Spaltenmeßschaltungen gemeinsam genutzt werden.
In der bevorzugten Ausführungsform werden vier Spalten gleichzeitig gemessen. Jede Spalte erzeugt zwei Bit Ausgangsdaten, die vier mögliche Ebenen darstellen, und die Ausgangssignale der vier gemessenen Spalten können als ein 8-bit Byte von einem Computer eingelesen werden. Wie weiter unten beschrieben ist, umfaßt der bevorzugte Sensor 52 Zeilen und 44 Spalten. Es ist wünschenswert, die ganzen Punkte des Sensors innerhalb eine Zeitraums von 10 Millisekunden oder weniger abzufragen. Bei Verwendung von vier individuellen Schaltkreisen zur gleichzeitigen Messung der Widerstände an vier Punkten, beträgt das Meßintervall für jeden Punkt ungefähr 17 Mikrosekunden. Der in Fig. 6 gezeigte Schaltkreis ist schnell genug, um die Ausgangsspannungen der Vergleichsschaltkreise innerhalb dieses Zeitintervalls von 17 Mikrosekunden auf ihre Endwerte zu setzen.
Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform des Schaltkreises, der die Zeilenelektroden ansteuert. In Fig. 8 wird eine 6-bit Zeilenadresse, die beispielsweise von einem Zeilenzähler geliefert wird, an die Leitungen 302 angelegt. Die zwei niederwertigsten Bits werden an einen 2-Bit zu 4-Leitungen Dekoder 218 gelegt. Die vier Ausgänge des Dekoders 218 werden zu einem vierfach Analogschalter 216 geführt. Der Dekoder 218 und die Schalter 216 arbeiten im wesentlichen auf die gleiche Art, wie dies weiter oben in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde. Die zwei niederwertigsten Bits der Zeilenadresse werden auch zu einem 4-zu-1 Analogmultiplexer 230 geführt. Als Antwort auf die Zeilenadresse, die an den Multiplexer 230 gelegt wird, verbindet er nacheinander die Leitungen im Bus 372 mit der Testspannung Vtest, wie das weiter oben in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde. Die vier höchstwertigsten Bits der Zeilenadresse werden an einen 4-bit zu 16-Leitungen Dekoder 350 gelegt. Die 44 Spaltenelektroden sind aufgeteilt in elf Gruppen von vier Elektroden, wie weiter unten beschrieben wird, und die elf Ausgänge des Dekoders 350 werden dazu benutzt aus diesen elf verschiedenen Gruppen, eine auszuwählen.
Die Verbindungen zu jeder der 44 Zeilenelektroden werden durch elf Vierfach 2-zu-1 Analogmultiplexer 351-361 hergestellt. Die ersten vier Zeilenelektroden 301-304 werden an den Multiplexer 351 gelegt, die zweiten vier Zeilenelektroden 305-308 werden an Multiplexer 352 gelegt und so weiter bis zu den letzten vier Elektroden 341-344, die an den Multiplexer 361 gelegt werden.
Jede der Zeilenelektroden kann selektiv mit einem der zwei Ausgänge durch den Vierfachmultiplexer 351-361 verbunden werden, in Abhängigkeit von den Kontrollsignalen, die an die Multiplexerkontrolleingänge 349 gelegt werden. Wenn das Kontrollsignal niedrig ist, werden die Zeilenelektroden mit den Erdleitern verbunden, die in Fig. 8 mit 370 bezeichnet sind.
Die zweiten vier Ausgänge jedes Multiplexers sind mit einem Vierleitungsbus 372 verbunden. Die elf Ausgänge des Dekoders 350 sind an die Kontrolleingänge 349 der Multiplexer 351-361 geführt, wobei jeder der Dekoderausgänge den Zustand der Schalter in den zugehörigen Multiplexern kontrolliert. Dadurch werden, indem die vier höchstwertigsten Bits der Zeilenadresse inkrementiert werden, die Analogmultiplexer 351-361 nacheinander befähigt, die zugehörigen Zeilenelektroden mit den Leitungen auf dem Bus 372 zu verbinden. Die zu den nicht ausgewählten Multiplexern gehörenden Zeilenelektroden sind durch Leiter 370 mit Erde verbunden. Die vier Leitungen des Busses 372 sind mit den vier Ausgängen der Analogschalter 216 und Multiplexer 230 verbunden.
Der in Fig. 8 gezeigte Schaltkreis arbeitet auf die folgende Art. Es sei angenommen, daß die Zeilenadressen, die an Leitung 302 gelegt sind, niedrig sind. Der Dekoder 350 gestattet dem Multiplexer 351, die ersten vier Zeilenelektroden mit den Leitungen des Busses 372 zu verbinden. Wenn die zwei niederwertigsten Bits gleich 00 sind, verbinden der Multiplexer 230 und die Analogschalter 216 die erste Leitung des Busses 372 mit der Spannung Vtest und erden die übrigen drei Leitungen. Dadurch ist die erste Zeilenelektrode 301 mit der Spannung Vtest verbunden und die übrigen Elektroden 302-344 sind mit Erde verbunden. Wenn die zwei niederwertigsten Bits der Zeilenadresse nacheinander ihre vier möglichen Werte annehmen, verbinden der Multiplexer 230 und die Schalter 216 nacheinander jede der Leitungen des Busses 372 und damit die ersten vier Zeilenelektroden mit der Spannung Vtest, während sie die übrigen Leitungen erden. Nachdem die ersten vier Leitungen gemessen wurden, wird das drittniederwertigste Bit der Zeilenadresse 302 inkrementiert. Dies sperrt Analogmultiplexer 351 und aktiviert Multiplexer 352, der die zweiten vier Zeilenelektroden mit dem Bus 372 verbindet. Zur Messung der Kreuzungswiderstände der zweiten vier Zeilen wird der oben beschriebene Vorgang wiederholt. Auf diese Weise wird eine Gruppe von 44 Zeilenelektroden auf eine effiziente Weise durch den Schaltkreis, der in Fig. 8 gezeigt ist, angesteuert.
Es ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung, wie sie hier beschrieben wurde modifiziert oder geändert werden kann, um die Prinzipien der Erfindung an verschiedene Situationen anzupassen. Daher sollen die hier beschriebenen Ausführungsformen nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung verstanden werden, es soll vielmehr die Erfindung nur im Zusammenhang mit den nachfolgenden Patentansprüchen ausgelegt werden.

Claims

1. Dünner flexibler Sensor zur Messung von entgegengesetzten Kräften an einer Vielzahl von Orten, bestehend aus:

- einer Vielzahl von flexiblen, im allgemeinen parallelen Elektroden (54), getragen von einer dünnen flexiblen Stützschicht (52), um einen Satz angesteuerter Elektroden zur Verfügung zu stellen,

- einer zweiten Vielzahl von flexiblen, im allgemeinen parallelen Elektroden (64) getragen von einer dünnen flexiblen Stützschicht (62), um einen Satz messender Elektroden zur Verfügung zu stellen,

- einer Widerstandsschicht (72), die auf mindestens einem der Sätze der messenden und angesteuerten Elektroden angebracht ist, wobei die Elektrodensätze sich gegenüberstehend angeordnet sind, getrennt durch die Widerstandsschicht, und wobei die Elektroden des einen Satzes die Elektroden des anderen Satzes in einem Winkel kreuzen, um eine Vielzahl von Kreuzungspunkten zu bilden, und wobei die Widerstandsschicht eine Dicke aufweist, die wesentlich geringer ist als der Abstand zwischen den Elektroden in jedem der Elektrodensätze und die so angeordnet ist, daß sie eine Schicht mit einem elektrischen Widerstand zwischen den angesteuerten und den messenden Elektroden an jedem Kreuzungspunkt bildet, wobei die Widerstandsschicht aus einem Widerstandsmaterial besteht, dessen widerstandskoeffizient sich ändert in Abhängigkeit vom angewandten Druck dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht aus einem Streifen (74) aus Widerstandsmaterial besteht, das auf jedem der Elektroden (64) eines Satzes angebracht ist, wobei jeder Streifen des Widerstandsmaterials physisch von den anderen getrennt ist, so daß die Stützschicht (62), die den besagten Satz Elektroden (64) trägt, zwischen jedem Paar benachbarter Elektroden ein isolierendes Gebiet aufweist, das nicht mit Widerstandsmaterial (74) bedeckt ist, wodurch eine elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Elektroden (64) aufrecht erhalten wird, wenn kein Druck auf den Sensor einwirkt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Satz der Elektroden der messende Elektrodensatz ist.

3. Sensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine durchgehende Widerstandsschicht (72) über dem anderen Elektrodensatz angeordnet ist.

4. Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die angesteuerten Elektroden (54) und die messenden Elektroden (64) auf einer einzigen Stützfolie (52) angebracht sind, so daß wenn die Folie gefaltet wird, sie sich gegenüberstehen und sich kreuzen.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfolie aus einem Polyestermaterial besteht.

6. Vorrichtung zur Messung der Okklusion einer Person bestehend aus einem Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgebildet ist, daß sie die Einführung des Sensors (60) in den Mund der Person ermöglicht, so daß die einander gegenüberstehenden Elektrodensätze (54, 64) sich zwischen den oberen und den unteren Zähnen der Person befinden und daß sie die Meßeinrichtungen (Fig. 6) aufweist, die mit den messenden (101-104) und den angesteuerten (201-204) Elektroden verbunden sind, um den Widerstand (R&sub1;&sub1; . . . ) zwischen den angesteuerten und den messenden Elektroden an jedem Kreuzungspunkt zu messen und als Ergebnis eine Angabe zu liefern die die Kraft zwischen den Bißkontaktpunkten der Person repräsentiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen Begrenzungseinrichtungen (VR, RP) aufweisen, um zu verhindern, daß der Gesamtstrom, der durch den Sensor fließt, eine vorgegebene Grenze überschreitet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungseinrichtungen weiterhin aufweisen:

- Einrichtungen (VR,RP) zum Erzeugen einer Testspannung (VTEST) an einem Testspannungsanschluß und Einrichtungen zur Verhinderung, daß der Strom, der durch den Testspannungsanschluß fließt, eine vorbestimmte Schwelle überschreitet; und

- Einrichtungen (230) für die sequentielle Verbindung des Testspannungsanschlusses mit jeder der angesteuerten Elektroden (201-204), um diesen die Testspannung zuzuführen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie weitere Einrichtungen (216, 218) aufweist, die in den Zeiten während die Testspannung einer angesteuerten Elektrode zugeführt wird, die anderen angesteuerten Elektroden, denen die Testspannung nicht zugeführt wird, erdet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie weitere Einrichtungen (110,116) aufweist, die es in der Zeit ermöglichen, während der jeder angesteuerten Elektrode die Testspannung zugeführt wird, eine oder mehrere messende Elektroden auszuwählen und diese eine oder mehrere ausgewählten messenden Elektroden auf im wesentlichen Erdpotential zu halten, während der Strom gemessen wird, der durch jede ausgewählte messende Elektrode fließt, wobei die Verhältniswerte der gemessenen Ströme zur Testspannung ein Maß für die Kraft zwischen den Kontaktpunkten auf den gegenüberliegenden Seiten des Sensors an den Kreuzungspunkten der Elektroden bilden.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung der Testspannung eine Referenzspannungsquelle (VR) und einen Widerstand (RP) aufweisen, der die Referenzspannung mit dem Testspannungsanschluß verbindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Referenzspannung und des Widerstandes so gewählt werden, daß der Strom, der durch den Sensor fließt auf weniger als 70 Mikroampere begrenzt wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Meßeinrichtungen weiter beinhalten:

- Einrichtungen (230) zum sequentiellen Anlegen der Testspannung an jede der angesteuerten Elektroden,

- Einrichtungen (140-156) die auf die Testspannung ansprechen und ein dazu repräsentatives Zwischensignal erzeugen, so daß das Zwischensignal proportional zur Testspannung ist, wenn die Testspannung über einer vorbestimmten Schwelle liegt und so daß dieses Zwischensignal auf einem festen Wert gehalten wird für Testspannungen unterhalb dieser Schwelle; und

- Einrichtungen (122), um den Strom, der durch eine ausgewählte messende Elektrode fließt mit dem Zwischensignal zu vergleichen, um ein Maß für den Widerstand zwischen der ausgewählten messenden Elektrode und daß angesteuerten Elektrode, an die die Testspannung angelegt ist, zu erzeugen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen ferner Einrichtungen (154, 156) aufweisen, die verantwortlich sind für einen direkten Kontakt zwischen messender Elektrode und angesteuerter Elektrode, um die Meßeinrichtungen zu veranlassen, einen vorgegebenen Ausgangswert zu erzeugen, der repräsentativ ist für die Kraft zwischen Kreuzungspunkten entlang der entsprechenden messenden Elektrode.