DE4036475A1 - Kapazitiver sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige kapazitive Sensoren werden insbesondere zum Schutz aufgehängter oder auf- und/oder ausgestellter Wertgegenstände, Bilder, Kunstgegenstände und derglei­ chen eingesetzt. Diese kapazitiven Sensoren sind darauf eingestellt, daß bei einer unbefugten Annäher­ ung auf eine vorbestimmte Distanz ein Alarm ausgelöst wird. Zu diesem Zweck sind diese kapazitiven Sensoren mit einem Alarmgerät verbunden. Für derartige Sensoren stehen zahlreiche Alarmgeräte zur Verfügung, an die diese angeschlossen werden können, beispielsweise der in der Druckschrift der Fa. Fritz Fuss GmbH beschrie­ bene kapazitive Melder KN 10.

In Museen, Bildergalerien und Kunstausstellungen werden bereits kapazitive Sensoren verwendet. Bei einem bekannten kapazitiven Sensor ist auf der Bil­ drückwand die heiße Kondensatorbelegung ausgebildet und auf der gegenüberstehenden Wand die kalte. Wird das Bild berührt, ändert sich die Kapazitität und es wird ein Alarm ausgelöst. Diese Ausführungsform weist den außerordentlichen Nachteil auf, daß an dem Bild bzw. am Bildrahmen Montagearbeiten vorgenommen werden müssen, die außerordentlich umständliche und gewissen­ hafte Vorsichtsmaßnahmen erfordern und derartige Arbeiten können lediglich unter Aufsicht eines Konser­ vators durchgeführt werden.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform ist der Sensor in dem Wandabschnitt eingebaut, vor dem das Bild hängt bzw. vor dem der zu schützende Gegenstand steht. Dieser Sensor weist einen Kasten, dessen Kastenmaterial die kalte Kondensatorbelegung darstellt auf und in diesem Kasten verläuft, sich stabförmig er­ streckend, der unter Spannung stehende Kondensatorab­ schnitt. Dieser bekannte kapazitive Sensor der immer ein räumliches Volumen beansprucht, einen stationären Einbau in die Wand erfordert, bei dem Material aus der Wand herausgenommen werden muß. Der geschützte Ort ist ein für allemal festgelegt.

Das in erschreckendem Maße zunehmende Delikt der Kunstdiebstähle, insbesondere auch aus sakralen Räumen, Bildergalerien und dergleichen zeigt, daß ein großer Bedarf an einfachen und sicher wirkenden Schutzeinrichtungen besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten und sicher wirkenden kapazitiven Sensor zur Verfügung zu stellen, der ohne wesentlichen Aufwand an beliebigen Orten leicht installiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die vom Inhalt des Anspruchs 1 gegebene technische Lehre gelöst.

Aus einer Anzahl elektrischer Leiter wird erfindungs­ gemäß dadurch ein technischer Kondensator gebildet, daß diese Leiter einander benachbart in einer ebenen und/oder gekrümmten flächenhaften Konfiguration elektrisch voneinander isoliert angeordnet und alter­ nierend entgegengesetzt polbar oder alternierend heiß und kalt schaltbar sind und zwar derart, daß benach­ barte Leiter alternierend Quellen und Senken sich im wesentlichen senkrecht zur flächenhaften Konfiguration erstreckender, inhomogener elektrischer Quellenfelder bilden.

Die bekannten kapazitiven Sensoren sind derart ausge­ legt, daß Feldlinien von einer Kondensatorbelegung zu gemäße Anordnung der elektrischen Leiter in einer flächenhaften Konfiguration werden Quellenfelder zwischen den Leitern ausgebildet, die sich zwar zur Ausübung einer Sensorfunktion senkrecht in den Raum vor der flächenhaften Konfiguration hineinerstrecken, aber sowohl von dieser Konfiguration ausgehen als auch in dieser Konfiguration enden. Eine Störung dieser Quellenfelder durch eine nicht autorisierte Annäherung an einen zu schützenden Gegenstand führt zu Änderungen der Kapazität des technischen Kondensators und damit zu einer Alarmauslösung. Mit Vorteil sind die elektri­ schen Quellenfelder, die eine Sensorfunktion haben, in der Umgebung des zu schützenden Gegenstandes bündel- oder zusammenfaßbar.

Durch Experimente oder durch Rechnungen bzw. Abschät­ zungen mit Hilfe der Potentialtheorie oder durch Verwendung konformer Abbildungen können flächenhafte Konfigurationen elektrischer Leiter derart gestaltet werden, daß sich gewünschte Formen von Quellenfeldern ergeben, die für die erforderliche Schutzfunktion zweckmäßig sind. So können beispielsweise Anordnungen und Formen von Leitern ermittelt werden.

Mit besonderem Vorteil werden Fäden und/oder Drähte und/oder Bänder und/oder Streifen und/oder Folien und/oder Flächengebilde zur Bildung eines technischen Kondensators mit M-I-M Struktur auf und/oder in einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material angeord­ net. Es besteht die Möglichkeit, den Kondensator lediglich aus Fäden oder aus Drähten oder aus Bändern oder aus Streifen oder aus Folien oder aus Flächenge­ bilden herzustellen. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß die angegebenen Leiter zur Bildung von Kondensatoren in gewünschter Weise miteinander kombi­ niert werden. Beispielsweise können Drähte und Flä­ chengebilde oder Drähte und Folien oder Drähte und Streifen kombiniert werden, um spezielle Formen elektrischer Quellenfelder zu erzeugen. Das Substrat kann dabei so ausgewählt werden, daß ein einfaches und billiges Herstellungsverfahren geschaffen werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß elektrisch leitende Fäden und/oder Drähte und/oder Bänder und/oder Streifen auf und/oder in einer Sub­ stratbahn gradlinig verlaufen. Eine derartige Ausfüh­ rungsform ermöglicht die Anordnung der elektrischen Leiter auf einer fortlaufenden Substratbahn. Ein derartiger kapazitiver Sensor kann in Form einer laufenden Bahn in einfacher Weise hergestellt werden und dieser Sensor kann dann an der Einbaustelle vom laufenden Material in den gewünschten Abmessungen abgetrennt und an der gewünschten Stelle ange­ bracht werden. Mit besonderem Vorteil können die elektrischen Leiter kammartig ineinander greifen. Bei diesem Ausführungsbeispiel können beispielsweise die Leiterkämme quer zur Bahnlängsrichtung sich erstrecken und an den Bahnrändern verlaufen dann Anschlüsse für die entgegengesetzte Polung oder für die heiße und kalte Schaltung.

Zur Erzeugung gewünschter vorgegebener Quellenfelder können die elektrischen Leiter auch in gekrümmten Bahnen verlaufen.

Bei einer Ausführungsform, mit der ein vorteilhaftes Quellenfeld erzeugt werden kann, verlaufen die elek­ trischen Leiter mäanderartig.

Um erfindungsgemäß zur Ausbildung vorbestimmter Quellenfelder Leiter unterschiedlicher geometrischer und substanzieller Gestalt zu kombinieren, kann beispielsweise ein flächenhaftes Gebilde, beispiels­ weise ein Rechteck, von einem Streifen umgeben werden, wobei Streifen und Rechteck die beiden Belegungen eines technischen Kondensators bilden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, flächenhafte Gebilde nebeneinan­ der anzuordnen und alternierend zu schalten. Bei­ spielsweise können zwei Kreise oder zwei Quadrate oder zwei Rechtecke oder irgendwelche geometrische Formen benachbart angeordnet und alternierend geschaltet werden. Diese Muster können fortlaufend auf Substrat­ bahnen ausgebildet werden.

Bei der Herstellung des Sensors können verschiedene Verfahren verwendet werden. Es können blanke oder isolierte Drähte oder Fäden verwendet werden. Mit Vorteil können die elektrischen Leiter aber auch gespritzt oder gedruckt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die elektrischen Leiter auf das Substrat galvanisch oder chemisch abzuscheiden.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen werden Leiter aus Cu oder Al verwendet.

Bei einer Ausführungsform hat sich als Substrat ein zellulosehaltiges Material insbesondere Papier als günstig erwiesen. Beispielsweise können elektrische Leiter wie Drähte alternierend auf Papierbahnen oder Papierstreifen angeordnet und geschaltet werden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung als Substrat ein Kunststoffmaterial zu verwenden. Als besonders günstig haben sich Polystyrol, Polypropylen, Polyäthylentere­ phthalat und Polycarbonat erwiesen.

Die elektrischen Leiter können im Substrat oder auf dem Substrat angeordnet werden. Es besteht z. B. die Möglichkeit die elektrischen Leiter auf einer Sub­ stratbahn anzuordnen und diese Substratbahn dann mit einer zweiten Substratbahn abzudecken.

Es kann vorteilhaft sein, als Substrat ein Gewebe, ein Gestricke oder ein Gewirke ggf. aus Kunststoffmaterial zu verwenden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung die elektrischen Leiter in ein Gewebe einzuweben, um den technischen Kondensator zu bilden. Bei dieser Ausführungsform werden insbesondere leitende Fäden und/oder Drähte als Schüsse in Kettfäden aus isolierendem Material einge­ zogen. Dabei werden dann auf den gegenüberliegenden Rändern des Gewebes die Schüsse alternierend geschal­ tet. Bei dieser Ausführungsform besteht aber auch die Möglichkeit isolierte Fäden und/oder Drähte als Kettfäden eines Gewebes zu verwenden, wobei dann diese Kettfäden alternierend geschaltet werden, um einen technischen Kondensator herzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Prinzipskizze eines er­ findungsgemäßen Sensors und

Fig. 2-10 schematische Ansichten von Ausführungs­ formen dieses Sensors.

In Fig. 1 ist eine Anzahl elektrischer Leiter 1, 2 im Schnitt dargestellt. Beim dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind band- oder streifenartige Leiter 1, 2 ge­ zeigt. Es sei bemerkt, daß diese Leiter auch als Drähte oder in anderer Form ausgebildet sein können. Fig. 1 dient lediglich dazu, das Prinzip des erfindungsgemäßen Sensors zu erläutern.

Wie Fig. 1 zeigt, sind diese elektrischen Leiter 1, 2 in einer flächenhaften Konfiguration A elektrisch voneinander isoliert angeordnet. Diese Leiter 1, 2 sind alternierend entgegengesetzt gepolt. Diese Tatsache ist durch die Zeichen + und - dargestellt. Diese Leiter können aber auch alternierend heiß (+) und kalt (0) geschaltet sein.

Die Schaltung und geometrische Anordnung in dieser flächenhaften Konfiguration A ist derart, daß benach­ barte Leiter 1, 2 alternierend Quellen Q und Senken S von Quellenfeldern B bilden. Wie Fig. 1 schematisch zeigt, erstrecken sich diese Quellenfelder B in senkrechter Richtung in den vor der flächenhaften Konfiguration A liegenden Raum hinein. Wenn diese flächenhafte Konfiguration A hinter einem zu schützen­ den Gegenstand angeordnet ist, erstrecken sich die Quellenfelder B in den Raum vor diesem Gegenstand hinein und bilden ein Schutzfeld. Sobald ein nicht autorisierter Eingriff in dieses Schutzfeld erfolgt, ändert sich die Kapazität des durch die elektrischen Leiter gebildeten technischen Kondensators und diese Änderung wird verwendet, um auf an sich bekannte Weise einen Alarm auszulösen.

Die Quellenfelder B weisen Feldlinien auf, deren Quellen Q und deren Senken S innerhalb der flächenhaf­ ten Konfiguration A liegen, so daß sich keine, zu anderen Wandungen des Raumes sich streckende Streu­ felder, die zu Störungen führen könnten, ausbilden.

Die schematische Darstellung in Fig. 1 gibt dem Fachmann den Hinweis, daß durch eine bestimmte Auswahl der Geometrie der elektrischen Leiter spezielle Feld­ konfigurationen erzeugt werden können. Um spezielle Feldkonfigurationen herzustellen, können Leiter unter­ schiedlicher Form und aus unterschiedlichen Materialien in verschiedener Konfiguration angeordnet werden. Es stehen beispielsweise experimentielle Untersuchungen zur Verfügung. Der Fachmann ist jedoch auch in der Lage mit Hilfe der Potentialtheorie oder mit Hilfe von konformen Abbildungen Relationen zwischen Leiterkonfi­ gurationen und Feldformationen zu gestalten, um optima­ le Schutzverhältnisse für bestimmte Räume bzw. bestimm­ te Gegenstände zu ermitteln.

Fig. 2 zeigt eine einfache Ausführungsform eines kapazitiven Sensors. Es sind zwei Substratbahnen 6 dargestellt. Diese Substratbahnen können Kunststoffbah­ nen oder auch Papierbahnen sein. Zwischen diesen Substratbahnen verlaufen alternierend Drähte 7, die wie dargestellt, abwechselnd an Leitungen 8 und 9 ange­ schlossen sind. Statt Drähte können auch Stäbe verwen­ det werden. Der in Fig. 2 dargestellte kapazitive Sensor kann als fortlaufende Bahn hergestellt werden und an der Einbaustelle werden entsprechende Längen abgeschnitten und beispielsweise auf eine Wand hinter Bilder oder hinter einem Bild aufgeklebt. Die Leitungen 8 und 9 werden an ein Alarmgerät angeschlossen.

In Fig. 3 ist als Substrat eine Materialbahn 11 dargestellt. Diese Materialbahn kann eine Papierbahn sein, es kann sich aber auch um eine Kunststoffbahn handeln. Die Materialbahn 11 kann einlagig sein, d. h. die Leiter sind auf der Oberfläche dieser Materialbahn angeordnet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, diese Materialbahn 11 zweilagig zu gestalten, wobei dann die dargestellten Leiter 10 zwischen zwei Materialbahnen 11 liegen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind an den Kanten der Materialbahn 11 Leiter 8, 9 vorgesehen, die sich längs dieser Kanten erstrecken. Statt Drähten 10 können sich auch Streifen zwischen diesen Leitern 8 und 9 er­ strecken. Bei der Herstellung können alternierend Abschnitte 12 herausgestanzt werden, so daß im Endpro­ dukt sich ein kammartig ineinander greifendes Leitersy­ stem 10 bildet. Dieses Leitersystem 10 mit den An­ schlüssen 8 und 9 bildet einen technischen Kondensator. In den Fig. 4 und 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem beispielsweise ein Leitersystem 1, 2, 8 und 9 auf einen Substrat 5 aufgespritzt, aufgedruckt galvanisch oder chemisch abgeschieden ist. Der darge­ stellte kapazitive Sensor ist wiederum auf einer laufenden Materialbahn 5 ausgebildet und kann an Ort und Stelle, den Einbaubedingungen, entsprechend zuge­ schnitten und aufgeklebt werden. Die dargestellten Sensoren können beispielsweise an eine Wand geklebt und von einer Tapete überdeckt werden.

Das Abschneiden eines derartigen kapazitiven Sensors von einer laufenden Bahn bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß lediglich der Raumbereich mit einem kapazitiven Sensor ausgestattet wird, in dem ein Zugriff verhindert werden soll.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines technischen Kondensators gezeigt, der ein kammartig ineinander greifendes Leitersystem 1 und 2 zeigt, die die Anschlüsse 3 und 4 aufweisen. Auch diese Konfigura­ tion kann in vorbestimmten Abmessungen auf einer laufenden Substratbahn ausgebildet werden.

Fig. 7 zeigt ein Leitersystem 1, 2, welches mäanderar­ tig ineinander greift.

Bei beiden Ausführungsbeispielen sind Anschlüsse 3 und 4 vorgesehen. Es ist zu erkennen, daß mit den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispielen spezielle Konfigurationen des in Fig. 1 dargestellten Quellenfeldes B erzeugt werden können. In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem auf der Substratbahn 5 Leiter 1, 2 in Form von Rechtecken ausgebildet sind, die alternierend an Aschlüsse 3 und 4 angeschlossen sind.

Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform sind auf der Substratbahn 5 Kondensatorkonfigurationen ausgebildet, die eine rechteckige Fläche 1 aufweisen, die von einem Leiterstreifen 2 umgeben wird.

Diese Ausführungsbeispiele zeigen, daß die technische Lehre dem Fachmann eine Vielzahl von Kombinationsmög­ lichkeiten zur Verfügung stellt, um für spezielle Anwendungszwecke spezielle Konfigurationen von Quellen­ feldern B zu erzeugen.

Eine weitere Ausführungsform ist schematisch in Fig. 10 gezeigt. Fig. 10 ist ein Schnitt durch ein Gewebe. Mit K sind Kettfäden bezeichnet und mit L die Schußfä­ den. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Schußfäden L blanke, elektrisch leitende Drähte und die Kettfäden K sind Fäden aus einem Isolationsmaterial, beispiels­ weise aus einem isolierenden Kunststoff. Die Gewebebahn weist aus beiden Enden herausragende Schußfäden L auf, die alternierend gepolt oder geschaltet werden können.

Wenn man isolierte Drähte verwendet, können beispiels­ weise die Kettfäden K aus isolierten Drähten gebildet werden und alternierend als Leiter für Kondensatoren geschaltet werden. In diesem Fall werden die Schußfäden L nicht zur Bildung des Kondensators herangezogen.

Claims (18)

1. Kapazitiver, mit einem Alarmgerät verbundener Sensor, der bei Annäherung auf eine vorbestimmte Distanz einen Alarm auslöst, gekennzeichnet durch eine Anzahl = zwei elektrische Leiter (1, 2, 7, 8, 9, 10), die zur Bildung eines technischen Kondensa­ tors derart einander benachbart in einer ebenen und/oder gekrümmten flächenhaften Konfiguration (A), elektrisch voneinander isoliert, angeordnet und alternierend entgegengesetzt polbar (±) oder alternierend heiß (+) und kalt (0) schaltbar sind, daß benachbarte Leiter (1, 2) alternierend Quellen (Q) und Senken (S) sich im wesentlichen senkrecht zur flächenhaften Konfiguration (A) erstreckender, inhomogener elektrischer Quellenfelder (B) bilden.

2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch leitende Fäden und/oder Drähte und/oder Bänder und/oder Streifen und/oder Folien und/oder Flächengebilde zur Bildung eines technischen Kondensators mit M-I-M Struktur auf und/oder in einem Substrat aus elektrisch isolierendem Material angeordnet sind.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch leitende Fäden und/oder Drähte (7) und/oder Bänder (1, 2) und/oder Streifen (1, 2) auf und/oder in einer Substratbahn (6, 7) geradlinig verlaufen.

4. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (1, 2) kammartig ineinander greifen.

5. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter in gekrümmten Bahnen verlaufen.

6. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter mäanderartig verlaufen.

7. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung vorbestimmter Quellenfelder Leiter unterschiedlicher geometrischer und substanzieller Gestalt kombiniert sind.

8. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter gespritzt sind.

9. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter gedruckt sind.

10. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter galvanisch oder chemisch abgeschieden sind.

11. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter aus Cu oder Al bestehen.

12. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem zellulosehaltigen Material, insbesondere Papier besteht.

13. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Kunststoffmaterial ist.

14. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
Polystyrol, Polypropylen, Polyäthylenterephthalat, Polycarbonat.

15. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Gewebe, Gestricke oder Gewirke ist.

16. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter in ein Gewebe eingewebt sind.

17. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß leitende Fäden und/oder Drähte als Schüsse in Ketten aus isolierendem Material eingezogen sind.

18. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß isolierte Fäden und/oder Drähte als elektrische Leiter Kettfäden eines Gewebes bilden.