DE4203124A1 - Taktiler sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen taktilen Sensor mit einer Sensorschicht zur Umwandlung einer Druckspannung in eine opti­ sche oder elektrische Größe.

Bei vielen Arbeitsvorgängen sind die Tasteigenschaften ge­ fragt, wie sie von der menschlichen Hand wahrgenommen werden können, beispielsweise beim Greifen, bei der Formerkennung, bei der Wahrnehmung von Raumbegrenzungen oder auch bei absolu­ ten Positionierungen. Es sind Drucksensoren auf kapazitiver Basis bekannt, bei denen das Zusammenpressen eines Dielektri­ kumens eine Kapazitätsänderung bewirkt, die mit Hilfe einer Wechselspannung gemessen und einer Verarbeitungselektronik zugeführt wird. Solche Taster ohne mechanische Kontakte können als Sensorschicht eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF enthalten, die als Dielektrikum dient. Sie ist an einer Flach­ seite mit einer dünnen, biegsamen Elektrode versehen, die über eine Schaumstoffzwischenlage mit einem Druckknopf verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Flachseite des Dielektrikums sind in einem vorgegebenen Abstand zwei elektrische Leiter vorgesehen, die auf einer Leiterplatte nebeneinander angeord­ net sind und mit dem Dielektrikum und der gemeinsamen Elektro­ de eine Reihenschaltung von Kapazitäten bilden. Mit der Betä­ tigung des Druckknopfes erhält man eine Änderung der Gesamt­ kapazität, aus der ein Schaltsignal abgeleitet werden kann (DE-OS 31 14 518). Da die Temperaturbeständigkeit solcher Folien begrenzt ist, können diese Drucksensoren bei höherer Temperatur nicht verwendet werden. Weitere Nachteile von Di­ elektrika sind Entladungs- und Kriechvorgänge unter statischem Druck.

Ferner kann in einem anderen Verfahren die Widerstandsänderung einer Sensorschicht bei Druck- oder Zugbelastung zur Ableitung eines entsprechenden Signals ausgenutzt werden. Diese Sensor­ schicht kann aus Gummi mit eingelagertem Kohlenstoff oder auch aus elektrisch leitendem Kunststoff bestehen. Mit solchen Sen­ soren erhält man jedoch eine nichtlineare Widerstandsänderung. In optischen Systemen kann auch die Änderung der Lichtintensi­ tät einer durchstrahlten Platte bei Druckbelastung zur Messung verwendet werden. In der in Längsrichtung durchstrahlten transparenten Platte ändert sich die innere Reflexion an der Oberfläche der Platte bei Druckbelastung eines an der Oberflä­ che anliegenden Körpers und damit die einem Detektor zugeführ­ te Strahlungsintensität (J. Phys. E.: Sci. Instr. 22 (1989), Seiten 684 bis 692).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen taktilen Sensor mit wenigstens annähernd linearer Kennlinie anzugeben, der auch eine statische Messung einer Druckbelastung (evtl. auch eine Zugbelastung) ermöglicht und in einfacher Weise auf­ gebaut und ausgelesen werden kann. Außerdem soll er relativ direkt zu einer Matrixanordnung zur ortsauflösenden Druckme­ ssung erweiterbar sein. Als Sensorschicht dient dabei eine spezielle Magnetschicht.

Diese Aufgabe wird nun gemäß der Erfindung gelöst mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere besonders vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Die Magnetschicht weist eine uniaxiale magnetische Vorzugs­ richtung auf, die schräg zur Oberflächennormale geneigt ist, z. B. unter einem Winkel von 45°. Außerdem ist die magnetische Anisotropie im Verhältnis zur entmagnetisierenden Energie so groß, daß sich in der Schicht eine einheitliche Magnetisierung ausbildet, d. h. die Magnetisierung zerfällt nicht in unter­ schiedlich magnetisierte Bereiche (Domänen), wodurch sonst eine zu große entmagnetisierende Energie abgebaut wird. Durch die einheitliche Ausrichtung der Magnetisierung entsteht in der Schicht ein homogenes entmagnetisierendes Magnetfeld, das die Magnetisierung in die Schichtebene zu drehen versucht. Dem wirkt die magnetische Anisotropie entgegen, und es bildet sich im unbelasteten Zustand ein Gleichgewichtszustand aus. Durch eine angelegte Druckspannung wird nun die Größe und i.A. auch die Richtung der Anisotropie geändert. Als Folge ändert auch die Magnetisierung ihre Richtung und damit solche physikali­ sche Größen, die von der Magnetisierungsrichtung abhängen, z. B. der (polare) Kerr-Effekt oder der elektrische Widerstand. Dabei reagiert der Magnetisierungsvektor nicht nur auf die senkrechte Komponente einer angreifenden Kraft. Vielmehr hängt die Größe des Effektes auch noch von deren Richtung ab. Außer­ dem ist nach dem Vorhergehenden klar, daß die Anisotropie nur so stark sein sollte, damit keine Aufspaltung in Domänen er­ folgt, sonst aber zur Steigerung der Empfindlichkeit möglichst klein.

Man kann zwischen zwei Grenzfällen unterscheiden. In dem einen Fall ändert sich nur die Größe der Anisotropie, die Orientie­ rung bleibt erhalten. Dann kann man in guter Näherung sagen, daß die Projektion des Druckes auf die Anisotropierichtung wirksam wird. In dem anderen Grenzfall überwiegt die Drehung der Anisotropierichtung. In diesem Fall wird praktisch nur der Normaldruck angezeigt, und ist dann vorteilhaft, ein magneti­ sches Material mit einer insgesamt kleinen Sättigungsmagneti­ sierung zu wählen, z. B. einen Ferrimagneten mit einem Kompen­ sationspunkt nahe der Arbeitstemperatur. Welcher Fall vor­ liegt, hängt vom verwendeten Material und seiner Präparation ab.

Die Änderung der Magnetisierungsrichtung kann über den magne­ tooptischen Kerr-Effekt, über die elektrische Widerstandsände­ rung oder über den anomalen Hall-Effekt ausgelesen werden.

Ordnet man eine Anzahl von Elementen matrixförmig an und gibt den Elementen in geeigneter Weise eine unterschiedliche Rich­ tung der magnetischen Anisotropie, z. B. indem man die Aniso­ tropieachse in zwei zueinander senkrechten Richtungen gegen die Flächennormale kippt, so reagieren die Elemente auf einen schräg zur Oberfläche angreifenden Druck verschieden. Durch Verarbeitung der Signale benachbarter Elemente ist die Messung des angreifenden Druckes verschieden. Durch Verarbeitung der Signale benachbarter Elemente ist die Messung des angreifenden Druckes nach Betrag und Richtung möglich, und entsprechend kann ein Aktor darauf reagieren, indem er z. B. den Druck be­ grenzt oder bei einsetzendem Schlupf den Druck erhöht (Greif­ vorgang).

In einer besonderen Ausführungsform kann man zwei magnetische Schichten kombinieren, zwischen denen eine Austauschkopplung besteht, d. h. deren Magnetisierungsrichtung starr aneinander gebunden sind. Dann kann man in der einen Schicht die Aufgabe der Magnetisierungsänderung unter Druck optimieren, in der an­ deren eine möglichst große Widerstandsänderung, anomalen Hall- Effekt oder einen großen Kerr-Effekt einstellen. Erstere stellt die eigentliche Sensorschicht dar, die den Druck in eine Magnetisierungsänderung verwandelt, letztere setzt die erzeugte Magnetisierungsänderung in die Auslesegröße um. Bei einer elektrischen Auslesung muß man darauf achten, daß die parallelgeschaltete Sensorschicht möglichst hochohmig ist, um einen Kurzschluß der Signalspannung zu vermeiden. Weiter kann man auch noch eine Schutzschicht anbringen.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genom­ men. In Fig. 1 ist die prinzipielle Wirkungsweise der Sensor­ schicht erläutert. Das Prinzip der Auslesung über die magne­ tische Widerstandsänderung ist in Fig. 2 wiedergegeben, in Fig. 3 die Auslesung über den anomalen Hall-Effekt. Ausfüh­ rungsformen für eine optische Auslesung sind in Fig. 4 und 5 dargestellt. Eine Ausführung mit einem Mehrschichtsystem ist in Fig. 6 veranschaulicht. Eine Ausführungsform mit einer Matrixanordnung von diskreten Elementen zeigt die Fig. 7. Eine verbesserte Ausführungsform einer Matrix zeigt Fig. 8.

Eine Sensorschicht gemäß Fig. 1 kann beispielsweise in einem taktilen Sensor angeordnet sein, der zur Anzeige eines Druckes dient, der in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet und mit P bezeichnet ist. Diese magnetostriktive Schicht weist eine ein­ heitliche magnetische Anisotropie auf, deren Richtung gegen­ über der strichpunktiert angedeuteten Flächennormalen geneigt ist. Infolge der Magnetostriktion der Sensorschicht 2 ändert sich durch den Druck die Größe der Anisotropie. Bei Abnahme dreht das entmagnetisierende Feld den Magnetisierungsvektor reversibel stärker aus der Vorzugsrichtung in die Schichtebe­ ne, bei Vergrößerung ist es umgekehrt. Diese magnetostriktive Sensorschicht kann beispielsweise aus GdFeCo, TbFeCo oder einer ähnlichen Legierung bestehen. Die gegen die Flächennor­ male geneigte Anisotropierichtung läßt sich durch Überlagerung eines Magnetfeldes beim Sputtern der Schicht einprägen.

Das Auslesen der Magnetisierungsauslenkung kann gemäß Fig. 2 beispielsweise über den magnetoresistiven Effekt dadurch er­ folgen, daß die Sensorschicht 2 in Längsrichtung von einem konstanten Meßstrom Im durchflossen wird und die Spannungs­ änderung U gemessen wird, die durch den Druck P auf die Sen­ sorschicht 2 hervorgerufen wird.

Ferner kann die Auslese über den anomalen Hall-Effekt erfol­ gen, wie es in Fig. 3 angedeutet ist. Hierzu wird die Ände­ rung der Hallspannung dadurch ermittelt, daß die Sensorschicht 2 ebenfalls in Längsrichtung von einem Meßstrom Im durchflos­ sen wird und die Spannungsänderung U senkrecht zur Strom­ richtung in der Schichtebene gemessen wird.

In einer besonderen Ausführungsform des taktilen Sensors er­ folgt die Auslesung derart, daß die Sensorschicht mit einem linear polarisierten Licht beleuchtet und die Drehung der Po­ larisationsebene - d. h. des Kerrwinkels R - unter Druck mit einer Polarisationsmeßvorrichtung ermittelt wird. Zu diesem Zweck kann gemäß Fig. 4 die Strahlung einer Lichtquelle 8, beispielsweise einer Quecksilberlampe oder eines Lasers, über einen Polarisator 9 und einen halbdurchlässigen Spiegel 10 der Sensorschicht 2 zugeführt werden. Die durch nicht näher be­ zeichnete Pfeile angedeutete Strahlung wird an der Sensor­ schicht reflektiert und über den Analysator 11 einem Detektor 12 zugeführt, dessen Ausgangssignal sich mit der Druckbelastung der Sensorschicht 2 ändert. Es ist dabei beson­ ders vorteilhaft, die Wellenlänge der Lichtquelle 8, z. B. eines Lasers, und die Empfindlichkeit der Sensorschicht 2 aneinander anzupassen.

In einer weiteren Form der optischen Auslesung kann gemäß Fig. 5 eine Ablenkvorrichtung 14 vorgesehen sein, mit der die Sensorschicht abgetastet werden kann. Auf diese Weise kann die Druckverteilung in der Sensorfläche gemessen, d. h. eine Orts­ auflösung vorgenommen werden. Alternativ zur Abrasterung der Sensorfläche kann diese auch durch eine Abbildungsvorrichtung auf ein Detektorarray abgebildet und so ortsaufgelöst gemes­ sen werden.

In Fig. 6 ist ein Beispiel wiedergegeben, bei dem mit einem Zweischichtsystem mit getrennter Sensorschicht 2 und Auslese­ schicht 16 gearbeitet wird. Die Magnetisierungen dieser beiden Schichten sind durch Austauschkopplung starr miteinander ver­ bunden. Außerdem ist eine Schutzschicht 20 vorgesehen, die die Sensorschicht 2, falls notwendig, gegen Korrosion oder mecha­ nische Beschädigung schützen soll. Außerdem kann man durch eine solche Schicht noch die Druckverteilung beeinflussen.

Während in den bisherigen Beispielen von einer unstrukturier­ ten Sensorschicht 2 ausgegangen wurde, zeigt Fig. 7 ein Sen­ sorarray, eine sogenannte taktile Matte mit einer matrixförmi­ gen Anordnung einer Vielzahl einzelner kleiner Sensorelemente, von denen zur Vereinfachung nur 12 dargestellt und mit 22 bis 33 bezeichnet sind. Sie sind in Zeilen 36 bis 38 und Spalten 40 bis 43 angeordnet. Zur Auslese der Matrix beispielsweise über den magnetoresistiven Effekt sind jeweils die Sensorele­ mente einer Spalte elektrisch in Reihe geschaltet und jeweils an eine tastbare Stromquelle angeschlossen. Die Stromquellen sind mit 46 bis 49 bezeichnet. Die Sensorelemente einer Zeile sind parallelgeschaltet und jeweils an einen Spannungsmesser 52 bis 54 angeschlossen. Wenn etwa die Stromquelle 46 getastet wird, zeigt der Spannungsmesser 52 die Spannung am Element 22 an. Damit die jeweils abzufragenden Elemente einer Spalte nicht durch die parallel liegenden Elemente der anderen Spal­ ten kurzgeschlossen werden, müssen diese elektrisch entkoppelt sein, z. B. über Widerstände, Dioden oder durch den Einbau von verstärkenden Transistoren.

Fig. 8 zeigt einen Aufbau, der zum Auslesen der Magnetisie­ rungsrichtung den anomalen Hall-Effekt und zur Entkopplung der Sensorelemente Dioden benutzt, die in der Figur mit 56 be­ zeichnet sind. Die Dioden 56 einer gerade nicht getakteten Spalte sind hochohmig, nur bei der gerade stromführenden Spal­ te bildet sich an den Dioden 56 eine Spannung aus, die die Dioden 56 auf Durchlaß schaltet.

Claims (11)

1. Taktiler Sensor mit einer Sensorschicht zur Umwandlung einer Druckspannung in eine optische oder elektrische Größe, ge­ kennzeichnet durch eine Sensorschicht (2), die wenigstens im Bereich eines magnetostriktiven Sensorelements eine zu der Flächennormalen geneigte Vorzugsrichtung der Ma­ gnetisierung enthält, deren Neigung und/oder Größe sich mit der einwirkenden Druckspannung ändert.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensorschicht (2) eine Auslese­ schicht (16) zugeordnet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ausleseschicht (16) mit magnetischer Austauschkopp­ lung.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensorschicht (2) mit einer Schutzschicht (20) versehen ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschicht (2) wenigstens teilweise aus Terbium-Eisen-Kobalt TbFc-Co besteht.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch eine Vielzahl von Sensorelementen (22 bis 33), die eine Matrix aus Zeilen (36 bis 38) und Spalten (40 bis 43) bilden, bei welcher die Sensorelemente (z. B. 22, 26, 30) einer Spalte (40) gemeinsam ansteuerbar sind und das je­ weils angesteuerte Sensorelement (z. B. 22 bis 25) einer Zeile (36) auslesbar wird.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Auslesung der Sensorelemente über den anomalen Hall-Effekt und zur Entkopplung der Sensorelemente Dioden (56) vorgesehen sind.

8. Sensor nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine strukturierte Sensorschicht (2).

9. Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslesung über den magnetooptischen Kerr-Effekt vorgesehen ist.

14. Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslesung über den magnetoresistiven Effekt vorgesehen ist.

11. Verfahren zum Betrieb eines Sensors nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslesung über den anomalen Hall-Effekt vorgesehen ist.