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Bezugnahme
auf verwandte Anmeldungen
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Die
Erfindung wurde von David Lee Sandbach gemacht, der im Vereinten
Königreich
wohnhaft ist. Eine Genehmigung, eine erste Anmeldung außerhalb
des Vereinten Königreichs
unter Artikel 23(1) des Patentgesetzes 1977 einzureichen, wurde
am 19. Mai 1999 erlangt. Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität aus der
am 20. Mai 1999 eingereichten US-Patentanmeldung 09/315,139.
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, eine mechanische Wechselwirkung
im Hinblick auf eine Positionserfassungsvorrichtung zu erfassen, wobei
die Positionserfassungsvorrichtung so ausgelegt ist, dass sie die
Position der mechanischen Wechselwirkung durch Messen eines elektrischen Potentials
erfasst, das an elektrische leitende Schichten angelegt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
JP 09-297650 offenbart eine drucksensitive dreidimensionale Tafel
und das Erfassungsverfahren für
deren Betriebsdaten. Raumdaten über
den Betrieb einer Tafel werden an eine gesteuerte Ausrüstung durch
Erfassen der X- und Y-Koordinaten der Kontaktposition von Widerstandsplatten
und des Widerstandswerts, wenn die Widerstandsplatten gedrückt werden,
als unabhängige
Raumparameter ausgegeben.
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Ein
Positionssensor zum Erfassen der Position einer mechanischen Wechselwirkung
ist in der europäischen
Patentveröffentlichung
0 989 509, die dem US-Patent Nr. 6,369,804 entspricht, dem koreanischen
Patent Nr. 2000023303, dem japanischen Patent Nr. 2000112640 und
dem australischen Patent Nr. 4877099 beschrieben, die alle dem vorliegenden
Anmelder zugeteilt sind. Der Positionssensor ist dazu ausgelegt,
die Posi tion einer mechanischen Wechselwirkung zu bestimmen. Zusätzlich ist
der Positionssensor auch dazu ausgelegt, das Ausmaß der mechanischen
Wechselwirkung zu messen, wobei die Darstellung des Ausmaßes einer
mechanischen Wechselwirkung für
gewöhnlich
aus Komponenten besteht, die die Kraft der mechanischen Wechselwirkung
und den Bereich darstellen, in dem sich die mechanische Wechselwirkung
auswirkt. Ein Problem bei dem bekannten Positionssensor besteht
darin, dass die Ausmaßmesswerte
an Positionen, die sich vom Rand des Sensors entfernt befinden, äußerst genau sind.
Wenn allerdings die Positionen den Rändern des Sensors näherkommen,
und insbesondere, wenn sich die Positionen den Ecken des Sensors
nähern,
wird die Genauigkeit des Ausmaßes
der mechanischen Wechselwirkungsmesswerte relativ ungenau.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein aus Gewebe
bestehender Positionssensor mit einer ersten elektrisch leitenden
Gewebeschicht bereitgestellt, einer zweiten elektrisch leitenden
Gewebeschicht, einer mittleren Schicht, die zwischen der ersten
elektrisch leitenden Gewebeschicht und der zweiten elektrisch leitenden
Gewebeschicht angeordnet ist, wobei die mittlere Schicht leitende
Einrichtungen umfasst, einer ersten isolierenden Trennschicht, die
zwischen der ersten elektrisch leitenden Gewebeschicht und der leitenden
Einrichtung angeordnet ist, und einer zweiten isolierenden Trennschicht,
die zwischen der zweiten elektrisch leitenden Gewebeschicht und
der leitenden Einrichtung angeordnet ist; wobei die leitende Einrichtung
an der Position einer mechanischen Wechselwirkung eine Leiterbahn
zwischen der ersten elektrisch leitenden Gewebeschicht und der zweiten
elektrisch leitenden Gewebeschicht bereitstellt, wobei die erste
elektrisch leitende Gewebeschicht einen ersten elektrischen Kontakt
aufweist, der eine elektrische Verbindung mit einem niederohmigen
Widerstandselement bereitstellt, das entlang eines ersten Rands
eines Paars entgegengesetzter Ränder
der ersten Schicht angeordnet ist, und einen zweiten elektrischen
Kontakt, der eine elektrische Verbindung mit einem zweiten niederohmigen
Widerstandselement bereitstellt, das entlang des zweiten Rands des
Paars entgegengesetzter Ränder
angeordnet ist, wobei die zweite elektrisch leitende Gewebeschicht
einen dritten elektrisch leitenden Kontakt aufweist, der eine elektrische
Verbindung mit einem dritten niederohmigen Widerstandselement bereit stellt,
das entlang eines ersten Rands des anderen Paars entgegengesetzter
Ränder
der zweiten Schicht angeordnet ist, und einen vierten elektrisch
leitenden Kontakt, der eine elektrische Verbindung mit einem vierten
niederohmigen Widerstandselement bereitstellt, das entlang des zweiten
Rands des anderen Paars entgegengesetzter Ränder angeordnet ist; einer
Potentialanlegeeinrichtung, die so ausgelegt ist, dass sie einen
ersten, durch den Sensor fließenden
Strom und einen zweiten, durch den Sensor fließenden Strom erzeugt; einer
Strommesseinrichtung zum Messen des ersten Stroms, um einen ersten
Stromwert (V1) herzustellen, und zum Messen des zweiten Stroms,
um einen zweiten Stromwert (V2) herzustellen; und einer Verarbeitungseinrichtung,
die so ausgelegt ist, dass sie den ersten Stromwert und den zweiten
Stromwert verarbeitet und einen Eigenschaftswert herstellt, der eine
Eigenschaft der mechanischen Wechselwirkung angibt, wobei die erste
Strommesseinrichtung so ausgelegt ist, dass sie den ersten Strom
misst, während
die Potentialanlegeeinrichtung ein Potential an den ersten Kontakt
und den dritten Kontakt anlegt, während der zweite Kontakt und
der vierte Kontakt deaktiviert sind, und dass sie den zweiten Strom misst,
während
die Potentialanlegeeinrichtung ein Potential an den zweiten Kontakt
und den vierten Kontakt anlegt, während der erste Kontakt und
der dritte Kontakt deaktiviert sind, und die Verarbeitungseinrichtung
so ausgelegt ist, dass sie durch die Verarbeitung des ersten Stromwerts
(V1) in Kombination mit dem zweiten Stromwert (V2) einen Eigenschaftswert
(Z) herstellt, der eine Eigenschaft der mechanischen Wechselwirkung
angibt.
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Ein
Vorteil des ersten Aspekts ist, dass die Genauigkeit des Eigenschaftswerts
dadurch deutlich gesteigert wird, dass ein Ergebnis aus der Kombination
zweier Messwerte abgeleitet wird. Wenn isotropische leitende Schichten
verwendet werden, können immer
noch Ungenauigkeiten an den Rändern
der Vorrichtung auftreten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der aus Gewebe bestehende Positionssensor so ausgelegt, dass
die erste elektrisch leitende Gewebeschicht und/oder die zweite
elektrisch leitende Gewebeschicht verschiedene Leitfähigkeiten
in verschiedenen Richtungen haben. Vorzugsweise ist die Schichtenleitfähigkeit
der ersten Schicht in einer ersten Richtung, die den ersten Kontakt
mit dem zweiten Kontakt verbindet, niedriger als die Leitfähigkeit
in einer zur ersten Richtung senkrechten, zweiten Richtung.
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Die
Verwendung nicht isotropischer Schichten fördert eine genauere Analyse
und Modellierung der spezifischen Schichtenwiderstände. Folglich
wird in einer bevorzugten Ausführungsform
der Eigenschaftswert dadurch bestimmt, dass ein Reziprokwert des
ersten Stromwerts mit einem Reziprokwert des zweiten Stromwerts
kombiniert wird.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Erfassen einer mechanischen Wechselwirkung im Hinblick auf eine Positionssensorvorrichtung
bereitgestellt, wobei die Positionssensorvorrichtung umfasst: eine
erste elektrisch leitende Gewebeschicht, eine zweite elektrisch leitende
Gewebeschicht, eine mittlere Schicht, die zwischen der ersten elektrisch
leitenden Gewebeschicht und der zweiten elektrisch leitenden Gewebeschicht
angeordnet ist, wobei die mittlere Schicht leitende Einrichtungen
umfasst, eine erste isolierende Trennschicht, die zwischen der ersten
elektrisch leitenden Gewebeschicht und der leitenden Einrichtung angeordnet
ist, und eine zweite isolierende Trennschicht, die zwischen der
zweiten elektrisch leitenden Gewebeschicht und der leitenden Einrichtung
angeordnet ist; wobei die leitende Einrichtung an der Position einer
mechanischen Wechselwirkung eine Leiterbahn zwischen der ersten
elektrisch leitenden Gewebeschicht und der zweiten elektrisch leitenden
Gewebeschicht bereitstellt, wobei die Positionssensorvorrichtung
so ausgelegt ist, dass sie die Position einer mechanischen Wechselwirkung
erfasst, indem elektrische Potentiale gemessen werden, die an der ersten
elektrisch leitenden Gewebeschicht und an der zweiten elektrisch
leitenden Gewebeschicht anliegen, wobei die erste elektrisch leitende
Gewebeschicht einen ersten elektrischen Kontakt aufweist, der eine
elektrische Verbindung mit einem niederohmigen Widerstandselement
bereitstellt, das entlang eines ersten Rands eines Paars entgegengesetzter Ränder der
ersten Schicht angeordnet ist, und einen zweiten elektrischen Kontakt,
der eine elektrische Verbindung mit einem zweiten niederohmigen
Widerstandselement bereitstellt, das entlang des zweiten Rands des
Paars entgegengesetzter Ränder
angeordnet ist, wobei die zweite elektrisch leitende Gewebeschicht
einen dritten elektrisch leitenden Kontakt aufweist, der eine elektrische
Verbindung mit einem dritten niederohmigen Widerstandselement bereitstellt,
das entlang eines ersten Rands des anderen Paars entgegengesetzter
Ränder
der zweiten Schicht angeordnet ist, und einen vierten elektrisch leitenden
Kontakt, der eine elektrische Verbindung mit einem vierten niederohmigen
Widerstandselement bereitstellt, das entlang des zweiten Rands des anderen
Paars entgegengesetzter Ränder
angeordnet ist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
(a) Messen eines ersten Stroms, wenn ein elektrisches Potential
zwischen dem ersten Kontakt und dem dritten Kontakt angelegt wird,
während
die Verbindungen mit dem ersten Kontakt und dem vierten Kontakt
deaktiviert sind, um einen ers ten Strommesswert herzustellen; (b)
Messen eines zweiten Stroms, wenn ein elektrisches Potential zwischen dem
zweiten Kontakt und dem vierten Kontakt angelegt wird, während die
Verbindungen mit dem ersten Kontakt und dem dritten Kontakt deaktiviert
sind, um einen zweiten Strommesswert herzustellen; und (c) Verarbeiten
des ersten Strommesswerts in Kombination mit dem zweiten Strommesswert,
um einen Ausgangseigenschaftswert abzuleiten, der ein Merkmal der
mechanischen Wechselwirkung angibt.
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Kurze Beschreibung
der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
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1 zeigt
einen die vorliegende Erfindung verkörpernden Positionssensor;
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2 zeigt
den in 1 gezeigten Sensor im Detail;
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3 stellt
untere und obere Gewebeschichten des in 2 gezeigten
Sensors dar;
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4 stellt
den in 1 gezeigten Schnittflächenschaltkreis im Detail dar;
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5 stellt
ein Programm dar, das vom Prozessor des Schnittflächenschaltkreises
ausgeführt wird;
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die 6, 7 und 8 stellen
Prozeduren im Detail dar, die in dem in 5 dargestellten Programm
ausgewiesen sind;
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9 stellt
eine Anordnung ähnlich
der in 2 gezeigten dar, die Stromflussverläufe zeigt;
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die 10 und 10b stellen
eine zweidimensionale Darstellung der in 9 gezeigten
Anordnung dar;
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11 zeigt
ein überarbeitetes
Modell für Widerstandselemente;
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12 zeigt
die in 2 ausgewiesenen oberen und unteren Gewebeschichten;
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13 weist
zu den in 12 gezeigten Gewebeschichten
alternative Gewebeschichten aus;
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die 14a und 14b stellen
Stromflussdichten für
die in 12 ausgewiesenen Gewebeschichten
dar.
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Beste Art und Weise, die
Erfindung auszuführen
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Ein
die vorliegende Erfindung verkörpernder Positionssensor 101 ist
in 1 gezeigt, der aus Gewebeschichten eines Materials
hergestellt und dazu ausgelegt ist, auf einer flachen oder krummlinigen Fläche aufzuliegen.
Der Sensor reagiert auf mechanische Wechselwirkungen, und in dem
in 1 gezeigten speziellen Beispiel nehmen diese Wechselwirkungen
die Form manuellen Drucks an, der von Benutzern angelegt wird, um
Wahlen zu treffen.
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In
dem in 1 gezeigten Beispiel bietet der Sensor 101 einen
Ersatz für
eine Fernseh-, Videorecorder- oder Satellitenfernsehfernsteuerung.
Bevorzugt vor einem massiven Gegenstand, der eine Reihe von Knöpfen bereitstellt,
besteht der Sensor im Wesentlichen aus Gewebe und kann eine Form
annehmen, die durch ein weiches Möbelstück vorgegeben ist. In dem gezeigten
Beispiel ist der Sensor 101 als separater Artikel ausgelegt,
in einer alternativen Auslegung könnte er jedoch als Teil eines
weichen Möbelstücks wie
einem Sessel oder Sofa 102 eingebracht werden.
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Der
Sensor 101 umfasst eine Schnittstellenschaltung 103,
die dazu eingerichtet ist, auf mechanische Wechselwirkungen anzusprechen
und einer Verarbeitungsvorrichtung 105 über eine Schnittstellenleitung 104 Koordinaten-
und Druckdaten bereitzustellen. Im Ansprechen auf eine durch einen
Benutzer bewirkte mechanische Wechselwirkung werden Positionsdaten
an die Verareitungsvorrichtung 105 übertragen, die wiederum Infrarotdaten über einen
Infrarotsender 106 an ein audiovisuelles Gerät wie einen
Fernseher 107 überträgt. In einer
alternativen Ausführungsform
sind die Schnittstellenschaltung und der Infrarotsender miniaturisiert
und als Teil des Gewebesensors selbst mit aufgenommen.
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Ein
Beispiel eines Sensors der in 1 gezeigten
Art ist in 2 in einer in ihre Einzelteile
zerlegten Ansicht gezeigt. Der Sensor umfasst zwei gewebte äußere Gewebeschichten 201 und 202,
die durch eine mittlere Schicht 203 getrennt sind. Die mittlere
Schicht 203 ist eine Wirkgewebeschicht, die nur aus leitender
Faser bestehen kann. Bei einer solchen Faser kann es sich beispielsweise
um eine kohlenstoffbeschichtete Nylonfaser handeln. In der Wirkware
wird jedoch vorzugsweise ein Faden verwendet, der vorzugsweise ein
Gemisch aus isolierenden und leitenden Fasern ist.
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Die
erste Isoliergitterschicht 204 befindet sich zwischen der
oberen Gewebeschicht 201 und der mittleren Schicht 203,
und eine zweite Isoliergitterschicht 205 befindet sich
zwischen der unteren Gewebeschicht 202 und der mittleren
Schicht 203. Die Isoliergitterschichten 204 und 205 bestehen
aus Polyestergewebe mit einem Kettenwirkaufbau. Gewebe dieser Art
ist mühelos
erhältlich
und lässt
sich in Anwendungen wie Moskitonetzen verwenden.
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Beim
Weben der Schicht 201 und 202 werden elektrisch
leitende Fasern verwendet, so dass die Schichten 201 und 202 zwei
elektrisch leitende Schichten bilden. Alternativ können die
Schichten 201 und 202 aus nicht gewebten (gefilzten)
oder gewirkten Geweben als Verbundstruktur aufgebaut sein. In jeder
dieser alternativen Anwendungen werden jedoch bei der Herstellung
des Gewebes elektrisch leitende Fasern eingeschlossen, wodurch elektrisch
leitende Schichten bereitgestellt werden.
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Zwei
elektrische Verbinder 206 und 207 sind auf einem
rechteckigen Isolierstreifen 208 angeordnet, der entlang
eines Rands der Gewebeschicht 201 positioniert ist. Der
Isolierstreifen wird dadurch hergestellt, dass isolierender Farbstoff
auf das Gewebe aufgedruckt wird. Alternativ könnte isolierendes Klebeband
verwendet werden. Die Verbinder 206 und 207 stellen
eine Anschlusseinrichtung von der Schnittstellenschaltung 203 an
niederohmige Widertandselemente 209 bzw. 210 bereit.
Die niederohmigen Widerstandselemente bestehen aus mit Metallen wie
Nickel oder Silber beschichtetem Gewebe. Material dieser Art ist
mühelos
erhältlich
und wird zum Abschirmen von Geräten
gegen elektromagnetische Interferenz verwendet. Die niederohmigen
Elemente sind an der leitenden Gewebeschicht 201 und dem Isolierstreifen 208 durch
leitenden Klebstoff befestigt, wie etwa einem druckempfindlichen
Acrylkleber, der metallisierte Partikel enthält. In der Folge stellen die Abschnitte 216 und 217 der
niederohmigen Widerstandselemente 209 und 210 einen
elektrischen Kontakt mit den leitenden Fasern der Schicht 201 entlang zweier
ihrer entgegengesetzten Ränder
her.
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Der
leitende Klebstoff stellt sicher, dass eine Verbindung zwischen
den niederohmigen Widerstandselementen 209 und 210 und
den leitenden Fasern hergestellt wird. Aufgrund dieser Verbindung bleibt
der Widerstand zwischen den leitenden Fasern und den Verbindungsabschnitten 216 und 217 durch ein
Falten oder Biegen der Schichten 201 unbeeinträchtigt.
Dies ist wichtig, da ansonsten eine schlechte Verbindung, die 216 und 217 mit 201 verbindet,
bestehen würde
und ein schwankender Widerstandswert an den Verbindungen zu unzuverlässigen und möglicherweise
instabilen Messwerten führen
würde, wenn
der Sensor in Betrieb ist.
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Alternativ
werden die niederohmigen Widerstandselemente 209 und 210 durch
Anbringen, beispielsweise durch Annähen einer niederohmigen Faser
an der Schicht 201 ausgebildet und dann ein leitender Klebstoff
oder eine leitende Zusammensetzung auf ihr und der Schicht 201 aufgedruckt.
Alternativ können
die niederohmigeren Widerstandselemente durch Aufdrucken eines leitende
Partikel enthaltenden Elastomermaterials auf die Schicht 201 hergestellt
werden. Alle der beschriebenen alternativen Verfahren stellen eine
geeignete Bindung bereit, die eine zuverlässige elektrische Verbindung
oder gute Verbindungsstelle bilden.
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Die
untere Gewebeschicht 202 hat einen ähnlichen Aufbau wie die obere
Gewebeschicht 201 und weist Verbinder 211 und 212 auf,
die sich auf einem Isolierstreifen 213 befinden. Die Verbinder 211 und 212 stellen
eine Einrichtung bereit, um die Schnittstellenschaltung 103 mit
niederohmigen Widerstandselementen 214 bzw. 215 zu
verbinden. Die beiden Schichten 201 und 202 sind
rechteckig, und der Aufbau der Schicht 202 ist von demjenigen
der Schicht 201 um 90 Grad gedreht. Somit berühren Kontaktabschnitte 216 und 217 die
leitenden Fasern in der Schicht 201 entlang zweier entgegengesetzter Ränder, und
die niederohmigen Widerstandselemente 214 und 215 besitzen
Kontaktabschnitte 218 und 219, die die leitenden
Fasern in der Schicht 202 entlang der anderen entgegengesetzten
Ränder
berühren.
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Eine
Vorgehensweise zum Messen der Position und des Ausmaßes einer
Kraft, die einem wie hier beschriebenen, aus Gewebeschichten bestehenden
Positionssensor mitgeteilt wird, ist in 3 dargestellt.
Die äußeren leitenden
Schichten 201 und 202 sind bei 380 durch
Potentiometer 301 und 302 schematisch dargestellt,
und der Widerstand der Leiterbahn zwischen den äußeren Schichten an der Stelle
der mechanischen Einwirkung ist durch einen veränderlichen Widerstand 303 dargestellt.
Es ist eine erste Messung gezeigt, bei der 5 Volt an den Verbinder 211 angelegt
werden, während
der Verbinder 212 deaktiviert bleibt. Der Verbinder 207 ist über einen
Widerstand 304 mit einem bekannten Wert an Masse gelegt.
Auf diese Weise fließt
Strom vom Verbinder 211 durch einen ersten Teil der Schicht 202, der
durch einen ersten Teil 305 des Potentiometers 302 angegeben
ist, durch die Leiterbahn, die durch den variablen Widerstand 303 mit
einem Widerstandswert Rv angegeben ist, durch einen ersten Teil der
Schicht 201, der durch einen ersten Teil 306 des Potentiometers 301 angegeben
ist, und durch den Widerstand 304 mit dem bekannten Wert.
Die Spannung V1 am Verbinder 207 wird gemessen, und da sie
gleich dem Spannungsabfall am Widerstand 304 ist, ist die
Spannung V1 direkt proportional zu dem Strom, der aus dem Verbinder 211 fließt.
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Eine
zweite Messung ist bei 390 gezeigt, bei der fünf Volt
an den Verbinder 206 angelegt werden, während der Verbinder 207 deaktiviert
ist. Der Verbinder 212 ist über einen Widerstand 307 mit
einem bekannten Widerstandswert an Masse gelegt. Die am Widerstand 307 abgefallene
Spannung V2 wird gemessen. Diese Spannung V2 ist direkt proportional zu
dem Strom, der durch einen zweiten Teil der Schicht 201,
der durch einen zweiten Teil 308 des Potentiometers 301 angegeben
ist, durch die Leiterbahn, die durch den variablen Widerstand 303 mit dem
Widerstandswert Rv angegeben ist, durch einen zweiten Teil der Schicht 202,
der durch einen zweiten Teil 309 des Potentiometers 302 angegeben
ist, und durch den Widerstand 307 fließt.
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Die
Summe des Widerstands des ersten Teils 306 und zweiten
Teils 308 des Potentiometers 301 ist in etwa gleich
dem Widerstand zwischen den Verbindern 206 und 207 auf
der Schicht 201, und ist deshalb während der Messungen im Wesentlichen konstant,
weil sie in schneller Abfolge auftreten. Entsprechend ist die Summe
des Widerstands zwischen dem ersten Teil 305 und dem zweiten
Teil 309 des Potentiometers 302 in etwa gleich
dem Widerstand zwischen dem Verbinder 211 und dem Verbinder 212 auf
der Schicht 202, und ist auch während der Messungen im Wesentlichen
konstant. Im Ergebnis besteht ein Verhältnis 310 zwischen
dem Widerstand Rv der Leiterbahn zwischen den äußeren Schichten und den gemessenen
Spannungen V1 und V2. Das heißt,
der Widerstand Rv zwischen den äußeren Schichten
ist proportional zur Summe des Reziprokwerts der Spannungen V1 und
des Reziprokwerts der Spannungen V2.
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Es
können
nützliche
Ergebnisse erhalten werden, indem lediglich der Durchschnittswert
dieser Spannungen genommen wird, aber eine höhere Genauigkeit wird erreicht,
wenn das Verhältnis 310 bei der
Auslegung von Prozessen berücksichtigt
wird, die in der Steuerhardware ausgeführt werden sollen.
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Der
Widerstandswert Rv hängt
von der Fläche
der mechanischen Wechselwirkung und dem Druck oder der Kraft ab,
der bzw. die bei der mechanischen Wechselwirkung angelegt wird,
wie durch das Verhältnis 311 dargestellt
ist. Somit ist es möglich,
je nach der Art des verwendeten Sensors aus den Spannungsmesswerten
V1 und V2 eine Angabe über
die Fläche
abzuleiten, auf welche die Kraft angelegt wurde, oder eine Angabe über die
Fläche
und die angelegte Kraft, die aufgewendet wurde. Solch eine Angabe
ist im Wesentlichen unabhängig
von der Position der mechanischen Wechselwirkung auf dem Sensor.
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Eine
dritte Messung ist bei 391 gezeigt. Fünf Volt werden an den Verbinder 212 angelegt,
während der
Verbinder 211 an Masse gelegt ist, wodurch ein Potentialgefälle an der
Schicht 202 entsteht. Unter Verwendung einer Vorrichtung
mit hoher Impedanz wird eine Spannungsmessung am Verbinder 207 vorgenommen,
und so wird die Spannung bestimmt, die auf der Schicht 202 an
der Stelle der angelegten Kraft erscheint. Diese Span nung V3 ist
direkt proportional zur Distanz des Zentrums der angelegten Kraft
vom Verbindungsabschnitt 218 und gibt seine x-Achsenposition
an.
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Eine
vierte Messung ist bei 392 gezeigt. Fünf Volt werden an den Verbinder 207 angelegt,
und der Verbinder 206 ist an Masse gelegt. Es wird eine Spannungsmessung
der Spannung V4 vorgenommen, die am Verbinder 212 erscheint.
Die Spannung V4 ist direkt proportional zur Distanz des Zentrums der
angelegten Kraft vom Anschlussabschnitt 216 und gibt seine
y-Achsenposition an. Folglich liefern die Spannung V3 und die Spannung
V4 Information über
die zweidimensionale oder Flächenposition
der an den Sensor angelegten Kraft. In der Folge stellen die Spannungen
V3 und V4 x- bzw. y- Werte für
das Zentrum der Position der angelegten Kraft dar.
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Die
Schnittstellenschaltung 103 ist in 4 im Detail
dargestellt. Die Schnittstellenschaltung liefert den Verbindern 206, 207, 211 und 212 Spannungen
und misst die Spannungen V1, V2, V3 und V4. Die Schnittstellenschaltung
liefert auch Ausgangswerte an einem seriellen Kommunikationsausgang 401,
die aus Werten bestehen, die den zweidimensionalen x-/y-Positionen
der mechanischen Wechselwirkung des Sensors und dem z-Wert entsprechen, die
von der Fläche
der mechanischen Wechselwirkung oder der Fläche und der Kraft der mechanischen
Wechselwirkung abhängen.
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Beim
Entwickeln einer Schnittstellenschaltung werden die Widerstände 304 und 307 entsprechend
dem Widerstandswert des Sensors gemessen von einem Verbinder auf
der Schicht 201 zu einem anderen Verbinder auf der Schicht 202 gewählt, während ein
typischer Solldruck an den Sensor angelegt wird. Ein Wert von zehn
kOhm ist für
die Widerstände 304 und 307 typisch.
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Der
Messprozess wird durch ein Programm gesteuert, das in einem peripheren
Schnittstellensteuergerät
(PIC – Peripheral
Interface Controller) 402 wie einem PIC 16C711 abläuft. Wie
auch das PIC 402 die erforderlichen Ausgangsspannungen
der Stifte Eins, Zwei, Zehn, Elf, Zwölf und Dreizehn liefern kann,
umfasst es einen A/D-Wandler, den es dazu verwendet, analoge Spannungen
zu verarbeiten, die an den Eingangsstiften Siebzehn und Achtzehn
eingehen. Die Eingangsstifte Siebzehn und Achtzehn empfangen Ausgänge aus
hochohmigen Puffern 403 bzw. 404. Die Puffer 403 und 404 sind
jeweils die Hälfte
eines Einheitsverstärkungsoperationsverstärkers der
Art TL 062 und stellen einen hochohmigen Puffer zwischen den Sensorausgangsspannungen
und den Eingangsanschlüssen
des PIC 402 bereit.
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Ein
Prozessor 402 besitzt einen mit 4 MHz arbeitenden externen
Quarzoszillator, der über
die Stifte Fünfzehn
und Sechzehn angeschlossen ist. An den Stift Vierzehn werden plus
5 Volt angelegt, und Stift Fünf
ist an Masse gelegt. Stift 4 (interne Rücksetzung) wird über einen
Reihenwiderstand von 100 Ohm auf plus fünf Volt gehalten.
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Das
Programm, das vom PIC-Prozessor ausgeführt wird, ist in 5 dargestellt.
Im Schritt 501 wird die Hardware initialisiert, und im
Schritt 502 misst die Schaltung 103 Werte der
Spannungen V1 und V2 und berechnet den z-Wert der Wechselwirkung.
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Im
Schritt 503 wird die Frage gestellt, ob die z-Angaben größer sind
als ein vorbestimmter Wert, und wenn dies verneint wird, kehrt das
Programm zu Schritt 502 zurück. Auf diese Weise misst die
Schaltung z-Werte, bis ein z-Wert erfasst wird, der größer ist
als ein vorbestimmter Wert.
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Ist
die Antwort auf die in Schritt 503 gestellte Frage bejahend,
misst die Schaltung die Spannungen V1, V2, V3 und V4 und berechnet
anschließend im
Schritt 504 einen z-Wert.
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Im
Schritt 505 wird die Frage gestellt, ob der berechnete
z-Wert immer noch über
dem vorbestimmten Wert liegt. Wird die Frage bejaht, wird im Schritt 506 eine
weitere Frage gestellt, ob genügend Proben
genommen wurden. Typischerweise werden zwischen drei und zehn Probensätze genommen, wobei
weniger Proben genommen werden, wenn eine schnelle Ansprechzeit
erforderlich ist. Wird die im Schritt 506 gestellte Frage
verneint, kehrt das Programm zu Schritt 504 zurück, und
es wird ein weiterer Satz Messwerte genommen. Wird die im Schritt 506 gestellte
Frage bejaht oder die im Schritt 505 gestellte Frage verneint,
berechnet das Programm Durchschnittswerte für die Proben der Spannungen
V3 und V4 und für
die Werte von z, die zusammengetragen wurden. Auf diese Weise ermittelt
das Programm eine vorbestimmte Anzahl von Spannungen, bevor es auf
die Durchschnittswerte kommt, oder die Durchschnittswerte werden
sofort berechnet, wenn der z-Wert unter einen vorbestimmten Wert
abfällt. Indem
der Durchschnitt einer Anzahl von Proben verwendet wird, kann die
Auswirkung elektromagnetischer Netzstrominterferenz oder anderem
solchen Umgebungsrauschen auf ein Minimum reduziert werden.
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Eine
relativ unkomplizierte Berechnung zur Ermittlung eines Durchschnittswerts
für die
x-Werte besteht darin, den mittleren Durchschnittswert der Höchst- und
Mindestwerte der gespeicherten Werte V3 herauszufinden, wodurch
ein geglätteter
Wert für x
bereitsteht, der dadurch ermittelt wird, dass der für den Wert
V3 gespeicherte Höchstwert zu
dem für
V3 gespeicherten Mindestwert addiert und das Ergebnis durch Zwei
geteilt wird.
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Um
die Genauigkeit noch weiter zu verbessern, werden die Werte von
x, y und z, die sich um einen großen Betrag von ihrem unmittelbar
vorhergehenden und unmittelbar nachfolgenden Wert unterscheiden,
aus den Berechnungen des Durchschnitts ausgeschlossen. Zusätzlich kann
ein bekanntes Verfahren zum Eliminieren von Netzstromversorgungsinterferenz
an die vom Sensor eingehenden Signale angewendet werden.
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Im
Schritt 508 werden die Durchschnittswerte für V3 und
V4, die die x-/y-Positionskoordinaten darstellen, und die Durchschnittswerte
für z-Daten als
Ausgänge
am seriellen Kommunikationsausgang 401 bereitgestellt.
Das Programm kehrt dann zum Schritt 502 zurück und sucht
nach einem Anzeichen für
eine weitere mechanische Wechselwirkung.
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Schritt 501 ist
in 6 im Detail dargestellt. Im Schritt 601 werden
Unterbrechungen aufgehoben, und im Schritt 602 werden die
Stifte Siebzehn und Achtzehn als A/D-Wandlereingänge eingestellt. Die Mikroanschlüsse des
PIC 16C711 können
als niederohmige Ausgänge
oder hochohmige Eingänge
konfiguriert werden. Wenn sie sich im hochohmigen Eingangsmodus
befinden, können
die Stifte Siebzehn und Achtzehn so programmiert werden, dass sie über einen
internen Multiplexer an den A/D-Wandler angeschlossen sind.
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Im
Schritt 603 werden die Anschlüsse, die als Ein- oder Ausgänge verwendet
werden sollen, in ihrem Initialzustand konfiguriert. Im Schritt 604 werden
alle Systemvariablen freigegeben und alle Unterbrechungen aufgehoben.
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Schritt 502 ist
in 7 im Detail dargestellt. Im Schritt 701 werden
die Anschlüsse,
die den Stiften Zwei und Zehn entsprechen, zu Ausgangsanschlüssen umkonfiguriert,
und im Schritt 702 wird Stift Zwei auf Null gesetzt, während Stift
Zehn auf plus fünf
Volt gesetzt wird. Auf diese Weise wird der Verbinder 207 über den
Widerstand 304 an Masse gelegt, und fünf Volt werden an den Verbinder 211 angelegt.
Im Schritt 703 wird eine Zeitverzögerung von typischerweise zweihundertfünfzig Mikrosekunden
für eine
typische Sensormessung von hundert auf hundert Millimeter vorgesehen.
Diese Verzögerung
ermöglicht es
den Spannungen, sich zu stabilisieren, bevor die Spannung am Stift
Siebzehn gemessen und gespeichert wird. Somit wird bei diesem Schritt
die am Verbinder 207 vorhandene Spannung V1 gemessen.
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Im
Schritt 705 werden die Stifte Zwei und Zehn zu hochohmigen
Eingängen
umkonfiguriert, während
die Stifte Eins und Zwölf
zu niederohmigen Ausgängen
umkonfiguriert werden. Im Schritt 706 werden die Spannungen
an den Stiften Eins und Zwölf
auf Null bzw. plus fünf
Volt gesetzt. Auf diese Weise wird der Verbinder 212 über den
Widerstand 307 an Masse gelegt, während fünf Volt an den Verbinder 206 angelegt
werden.
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Eine
geeignete Zeitverzögerung,
die derjenigen des Schritts 703 entspricht, wird im Schritt 707 vorgesehen,
bevor die Spannung am Stift Achtzehn im Schritt 708 gemessen
und gespeichert wird. Auf diese Weise wird die am Verbinder 212 vorhandene Spannung
gemessen und als Spannung V2 gespeichert. In den Schritten 709 wird
ein z-Wert für
die gespeicherten Spannungen V1 und V2 berechnet und dann gespeichert.
Die Stifte Eins und Zwölf
werden im Schritt 710 zu ihrem Initialzustand als hochohmige Ausgänge zurück umkonfiguriert.
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Schritt 504 ist
in 8 im Detail dargestellt. Im Schritt 801 wird
ein z-Wert auf im Wesentlichen ähnliche
Weise wie im Schritt 502 erhoben. Im Schritt 802 werden
die Stifte Eins und Zwei zu hochohmigen Eingängen und die Stifte Zehn und
Elf zu niederohmigen Ausgängen
umkonfiguriert. Im Schritt 803 wird Stift Zehn auf Null
Volt und Stift Elf auf plus fünf
Volt gesetzt. Auf diese Weise werden dem Verbinder 212 fünf Volt
zugeführt,
während
der Verbinder 211 an Masse gelegt wird. Im Schritt 804 wird
eine Verzögerung
bereitgestellt (typischerweise eine Millisekunde für eine Vorrichtung,
die 100 auf 100 Millimeter misst), um die Spannungen sich stabilisieren
zu lassen, bevor die Spannung am Stift Siebzehn im Schritt 805 gemessen
wird. Deshalb wird eine am Verbinder 207 anliegende Spannung
V3 gemessen, die eine Angabe der x-Position der angelegten Kraft
liefert.
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Im
Schritt 806 werden die Stifte Zehn und Elf zu hochohmigen
Eingängen
und die Stifte 12 und 13 zu niederohmigen Ausgängen umkonfiguriert.
Im Schritt 807 wird die Spannung am Stift 12 auf
Null gesetzt, während
die Spannung am Stift 13 auf fünf Volt gesetzt wird. Auf diese
Weise werden dem Verbinder 207 fünf Volt zugeführt, während der
Verbinder 206 an Masse gelegt wird.
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Im
Schritt 808 wird eine Zeitverzögerung ähnlich der im Schritt 804 vorgesehenen
bereitgestellt, bevor die am Stift 18 erscheinende Spannung im
Schritt 809 gemessen wird. Somit wird eine am Verbinder 212 vorhandene
Spannung V4 gemessen, die eine Angabe über die y-Position der angelegten Kraft
liefert. Die Stifte 12 und 13 werden dann zurück in ihren
Initialzustand von hochohmigen Eingängen umkonfiguriert.
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Die
mit Bezug auf die 5 bis 8 beschriebenen
Vorgehensweisen ermöglichen
es, dass die Schnittstellenschaltung Spannungsmesswerte V3 und V4
herstellen kann, die eine Angabe über die Position der mechanischen
Wechselwirkung liefern können,
mit der der Gewebesensor beaufschlagt wird. Auf ähnliche Weise liefern die Messwerte
der Spannungen V1 und V2, die proportional zu durch den Sensor fließenden Strömen sind,
eine Information über
ein zweites Merkmal der mechanischen Wechselwirkung. Beim zweiten
Merkmal kann es sich beispielsweise um eine Wechselwirkungsfläche oder
typischerweise um eine Kombination aus Fläche und Kraft handeln. Darüber hinaus
fasst die Schaltung die Spannungen V1 und V2 zusammen, um einen
z-Wert zu bestimmen, der vertretend für das zweite Merkmal ist.
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Die
Schaltung 103 liefert Ausgangsdaten, die für die x-
und y-Position der angelegten Kraft stehen, und den z-Wert. Jedoch
liefert die Schnittstellenschaltung in einer alternativen Ausführungsform
Ausgangsdaten, die den gemessenen Spannungen V1, V2, V3 und V4 entsprechen.
In einer alternativen Ausführungsform
wird eine hinterfragte Weiterverarbeitung an diesen Spannungen vorgenommen,
die sich wiederum zur Steuerung anderer Peripheriegeräte verwenden
lassen. Beispielsweise könnte
als Alternative dazu, über
eine wie in 1 gezeigte separate Steuervorrichtung
zum Erzeugen von Infrarotsignalen zu verfügen, diese gesamte Funktionalität in eine
einzelne Steuerschaltung im PIC-Prozessor 402 gepackt werden,
die die Erzeugung von Infrarotsignalen steuert. Die Anordnung stellt
demgemäß einen aus
Gewebe bestehenden Positionssensor mit einer ersten elektrisch leitenden
Gewebeschicht und einer zweiten elektrisch leitenden Gewebeschicht
bereit. Die erste elektrisch leitende Schicht weist einen ersten
elektrischen Kontakt und einen zweiten elektrischen Kontakt auf,
wobei die zweite elektrisch leitende Schicht einen entsprechenden
dritten elektrisch leitenden Kontakt und einen vierten elektrisch
leitenden Kontakt aufweist. An den ersten und den dritten Kontakt
wird ein Potential angelegt, um einen ersten Strom zu erzeugen,
und dann wird ein Potential an den zweiten und vierten Kontakt angelegt,
um einen zweiten Strom zu erzeugen. Diese Ströme werden jeweils gemessen
und dann werden Werte verarbeitet, um einen Ausgang herzustellen,
der eine Eigenschaft einer mechanischen Wechselwirkung angibt. Auf
diese Weise werden genauere Ergebnisse als in einem System erhalten,
bei dem nur eine Strommessung erfolgt.
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Wenn
ein Stromfluss stattfindet, lassen sich Stromdichten grafisch durch
Flusslinien ausdrücken, wobei
die Konzentration der Flusslinien in den Bereichen größer ist,
in denen die Stromdichte höher
ist. Wie im Stande der Technik hinlänglich bekannt ist, lässt sich
eine ähnliche
grafische Darstellung dadurch herstellen, dass Äquipotentiale verbunden werden,
und bekanntlich sind die Äquipotentiale senkrecht
zu den Schnittpunktpositionen der Flusslinien.
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Eine
Anordnung ähnlich
der in 2 gezeigten ist in 9 dargestellt,
worin Stromflusslinien durch die erste leitende Schicht 201 verlaufend
gezeigt sind, wobei ähnliche
Flusslinien in der zweiten leitenden Schicht 202 gezeigt
sind. Der Strom fließt zwischen
den Schichten an einem Punkte mechanischer Wechselwirkung 901.
Ein Pluspotential wird an den Verbinder 211 angelegt, was
zu einem wie durch die Flusslinie 902 dargestellten Stromfluss
führt,
der zum Punkt der mechanischen Wechselwirkung 901 fließt. Am Punkt
der mechanischen Wechselwirkung verläuft der Strom durch die mittlere
leitende Schicht 203 und fließt dann, wie durch die Flusslinie 903 dargestellt, über die
erste leitende Schicht 201, um dann durch den Kontakt 207 abgezogen
zu werden.
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Eine
zweidimensionale Darstellung der Schicht 201 und der Schicht 202 ist
in 10a gezeigt. Ein Großteil des Stroms erreicht den
Kontakt 207 über
den Anschlussabschnitt 217. Jedoch geht ein Teil des Stroms
durch den Anschlussabschnitt 216 hindurch, wie durch Flusslinien 1001 dargestellt ist.
Dieser Strom tritt dann wieder in die leitende Schicht ein, um zum
Kontaktabschnitt 217 zurückzukehren, wie durch eine
Flusslinie 1002 dargestellt ist. Der Beitrag zur gemessenen
Leitfähigkeit,
die sich aus diesem Effekt ergibt, ist größer, wenn sich der Punkt der
mechanischen Wechselwirkung näher
am Rand des Sensors befindet, und überwiegt besonders, wenn sich
der Punkt der mechanischen Wechselwirkung nahe an einer Ecke des
Sensors befindet.
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Ein ähnlicher
Effekt tritt auf der unteren leitenden Schicht 202 auf.
Auf diese Weise verläuft
zusätzlich
zu dem Strom, der, wie durch die Flusslinien 1003 dargestellt,
direkt aus dem Anschlussabschnitt 218 eingeht, ein Teil
des Stroms durch den Anschlussabschnitt 219, wie durch
die Flusslinien 1004 und 1005 dargestellt ist.
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Ein ähnliches
Problem tritt auf, wenn sich die Stromrichtung durch den Sensor,
wie von der vorliegenden Erfindung gefordert, ändert. Dennoch besteht je nach
der Position der mechanischen Wechselwirkung eine Tendenz, dass
der Effekt bei einem Stromfluss in einer Richtung vorherrschender
ist als bei einem Stromfluss in der anderen Richtung. Dies wird
im Hinblick auf 10b noch hervorgehoben. Bei
dieser Gelegenheit befindet sich der Punkt der mechanischen Wechselwirkung
nahe an den Versorgungsbahnen, weshalb praktisch der gesamte Strom direkt
zum Punkt der mechanischen Wechselwirkung in der oberen Schicht
fließt,
wie durch die Flusslinie 1021 dargestellt ist, wobei ein ähnlicher
Effekt in der leitenden Schicht 202 bei einem Strom auftritt,
der direkt vom Punkt der mechanischen Wechselwirkung weg fließt, wie
durch die Flusslinie 1022 dargestellt ist.
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In
der mit Bezug auf 3 beschriebenen Widerstandsmodellierung
wurde dieses zweite Potentialverfahren für den Stromfluss, wie durch
die Flusslinien 1001, 1002, 1003 und 1004 dargestellt, nicht
berücksichtigt.
Ein überarbeitetes
Modell ist deshalb in 11 dargestellt, worin Potentiometer 1101, 1102 und 1103 im
Wesentlichen den Potentiometern 301, 302 und 303 entsprechen.
Jedoch ist, um die Aktivität
der Vorrichtung nach 10a und 10b modellhaft
darzustellen, ein erster Parallelwiderstand 1111 über das
Potentiometer 1101 und ein zweiter Parallelwiderstand 1112 über den
Widerstand 1102 gelegt. Eine solche Anordnung bringt eine größere Komplexität hinsichtlich
des Herstellens genauer Ergebnisse für die z-Werte ins Spiel. Darüber hinaus
müssen
die Verhältnisse
für die
Kombination der beiden Messwerte neu ausgewertet werden. Insbesondere
beruht das Verhältnis 301 auf
einem stark vereinfachenden Modell und erweist sich als nicht streng
passend für
das in 11 dargestellte Modell.
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Eine
Lösung
für dieses
Problem wird bereitgestellt, indem die leitenden Schichten mit anisotropischer
Leitfähigkeit
hergestellt werden. Insbesondere ist es wünschenswert, den Widerstand
in der linearen Richtung zwischen den Kontaktabschnitten wie etwa 216 und 217 zu
messen. Dies minimiert die Widerstände 1111 und 1112 wirkungsvoll.
Es ist nicht wünschenswert,
Widerstandswirkungen senkrecht zu dieser Richtung einzuschleppen.
Folgerichtig wird das Material mit einer höheren Widerstandsfähigkeit in
der gewünschten
linearen Richtung hergestellt (horizontal in der ersten in 10a gezeigten Schicht 201, und vertikal
in der in 10a gezeigten Schicht 202),
während
der Widerstand in einer senkrechten Richtung gesenkt (d.h. die Leitfähigkeit
erhöht)
wird.
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Die
obere und untere Gewebeschicht 201 und 202 sind
in 12 separat gezeigt. Bei den Gewebeschichten 201 und 202 handelt
es sich um Grundbindungsgewebe, die leitende Fasern sowohl in der
Kett- als auch Schussrichtung aufweisen und in allen Richtungen
entlang der jeweiligen Schichten leitend sind. In 12 sind
die Kettfasern 1201 der Schicht 201 in etwa horizontal
gezeigt, und sie erstrecken sich zwischen zwei Kontaktabschnitten 216 und 217,
während
die Schussfasern 1202 parallel zu den Kontaktab schnitten 216 und 217 sind
und in etwa vertikal gezeigt sind. In der Schicht 202 erstrecken sich
die im Wesentlichen vertikalen Kettfasern zwischen den Kontaktabschnitten 218 und 219,
während die
Schussfasern 1202 parallel zu den Kontaktabschnitten 218 und 219 sind
und in etwa horizontal gezeigt sind.
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Die
Schichten 201 und 202 verfügen über anisotropische Leitfähigkeit.
Insbesondere sind die Schichten 201 und 202 in
den Richtungen parallel zu ihren jeweiligen Kontaktabschnitten leitfähiger. Somit ist,
wenn der Sensor in Betrieb ist und ein Spannungsgradient zwischen
einem Paar von Kontaktabschnitten auf derselben Schicht anliegt,
die jeweilige Schicht in der Richtung senkrecht zum Spannungsgradienten
am leitfähigsten
und parallel dazu weniger leitfähig.
Um die gewünschte
anisotropische Leitfähigkeit
zu erzielen, sind die Kettfasern so gewählt, dass sie einen höheren Widerstand
haben als die Schussfäden.
Aus diesem Grund handelt es sich bei den Kettfasern 1201 um 24 Dezitex
Nylon 6-Fasern (erhältlich
von BASF und gekennzeichnet durch die Bezeichnung F901), die allgemein
zum Gebrauch in Anwendungen zum Ableiten elektrostatischer Aufladung
verfügbar
sind. Bei den Schussfasern handelt es sich um 16 Dezitex Monofilfasern,
die elektrochemisch mit Nickel und/oder Silber beschichtet werden und
unter der Markenbezeichnung "XSTATIC" von Sauquoit Inc.,
Pennsylvania, USA, bezogen werden können. Ähnliche metallisierte Fasern
sind allgemein erhältlich
und werden normalerweise bei der Abschirmung gegen elektromagnetische
Interferenz verwendet. Somit beträgt ein typischer spezifischer
Widerstand bei einem Schussfaden 500 Ohm pro Zentimeter, im Gegensatz
zu ungefähr
200 kOhm pro Zentimeter bei einem Kettfaden.
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In
der Schicht 201 und 202 ist das Gewebe mit derselben
durchschnittlichen Einstellung von 7,3 Fasern pro Millimeter bei
sowohl dem Schuss als auch der Kette gewebt. Folglich ist aufgrund
des unterschiedlichen spezifischen Widerstands der Kett- und Schussfasern
der spezifische Flächenwiderstand
der Schichten in den zu den Kontaktabschnitten parallelen Richtungen
ungefähr
400 Mal geringer als in der senkrechten Richtung.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die äußeren Gewebeschichten 201 und 202 durch äußere Gewebeschichten 1301 und 1302 ersetzt,
die mit Ausnahme der Fasern, die in Kette und Schuss verwendet werden, ähnlich den
Schichten 201 und 202 sind. Somit befinden sich
Kontaktabschnitte 1303 und 1304 entlang entgegengesetzter
Ränder der
Schicht 1301 und berühren
leitende Fasern in der Schicht, während sich Kontaktabschnitte 1305 und 1306 entlang
der anderen entgegengesetzten Ränder
der Schicht 1302 befinden und einen elektrischen Kontakt
mit leitenden Fasern in der Schicht 1302 herstellen.
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Die äußere Schicht 1301 umfasst
leitende Fasern 1307, die in der Richtung des Stroms leiten, der
vom Kontaktabschnitt 1303 zum Kontaktabschnitt 1304 fließt. Querfäden 1308 leiten
in einer Richtung senkrecht zu diesem und haben die Wirkung, einen
linearen Spannungsgradienten über
die Fläche
auch dann sicherzustellen, wenn der Widerstand von Verbindungen
zwischen seitlichen Fasern 1307 und einem Kontaktabschnitt 1303 und 1304 variabel
ist; wie in einem Herstellungsprozess zu erwarten wäre.
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Isolierfasern 1309 werden
zwischen benachbarten parallelen leitenden Fasern 1307 in
der Kettrichtung und zwischen benachbarten parallelen leitenden
Fasern 1308 in der Schussrichtung verwendet. Die anisotropische
Leitfähigkeit
wird in der vorliegenden Ausführungsform
dadurch erzielt, dass ein unterschiedliches Verhältnis von leitenden Fasern 1307 und 1308 zu
nicht leitenden Fasern 1309 für die Kett- bzw. Schussrichtung
gewählt
wird. Somit wechselt sich in einer Richtung senkrecht zu den Kontaktabschnitten 1303 und 1304,
die in der in 4 gezeigten Zeichnung der Schicht 1301 horizontal
ist, eine Isolierfaser mit einer leitenden Faser 1302 ab. Beide
sind in gleicher Menge vorhanden. Jedoch gibt es in der senkrechten
Richtung zwei leitende Fasern 1308 für jede parallele Isolierfaser 1309.
Somit wird, wenn der Sensor in Betrieb ist, in der zum anliegenden
Stromfluss senkrechten Richtung bzw. der Richtung senkrecht zum
Spannungsgradienten die Leitfähigkeit
erhöht.
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Die äußere Gewebeschicht 1302 hat
einen ähnlichen
Aufbau wie die Schicht 1301, ist aber um 90 Grad gedreht.
Folglich umfasst die Bindung Schussfasern, die im Wesentlichen parallel
zu den Kontaktabschnitten 1305 und 1306 sind,
und Kettfasern, die senkrecht dazu sind. Die Schicht 1302 ist ähnlich anisotropisch
wie die Schicht 1301, da ihre Bindung im Schuss zwei leitende
Fasern 1308 für jede
Isolierfaser 1309 enthält,
während
sie in der Kette eine zu den Isolierfasern 1309 gleiche
Anzahl von leitenden Fasern 1307 enthält.
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In
dieser Ausführungsform
können
die leitenden Fasern 1307 und 1308 sowohl in der
Kett- als auch Schussrichtung denselben spezifischen Widerstand
haben, weil ja die anisotropische Leitfähigkeit der Schichten durch
die Wahl der Verhältnisse
von leitenden zu isolierenden Fasern erzielt wird. Deshalb kann
eine entsprechende kohlenstoffbeschichtete Nylonfaser in der Kett-
wie auch Schussrichtung der Bindung verwendet werden.
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Indem
zwei Strommessungen erfolgen und die Ergebnisse in Kombination verarbeitet
werden, ist es möglich,
eine verbesserte Genauigkeit bezüglich der
Ermittlung des Ausmaßes
einer mechanischen Wechselwirkung zu erzielen. Die Genauigkeit dieses Messwerts
kann noch weiter verbessert werden, indem anisotropische Schichten
verwendet werden, die in Richtungen senkrecht zum Stromfluss eine
höhere
Leitfähigkeit
haben. Darüber
hinaus lässt
sich noch mehr Genauigkeit erzielen, indem die Art und Weise modifiziert
wird, in der die Messwerte in Kombination verarbeitet werden. Insbesondere
werden bessere Ergebnisse erzielt, wenn die Reziprokwerte der Messwerte
addiert und dann der Kehrwert der sich ergebenden Gesamtsumme selbst
ermittelt wird; ähnlich
dem parallelen Zusammenstellen von Widerständen im Gegensatz zum Zusammenstellen
von Widerständen
in Reihe.
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Der
Stromfluss in der oberen Schicht 201 und der Stromfluss
in der unteren Schicht 202 sind in 14a dargestellt,
worin die Schichten 201 und 202 unter Verwendung
anisotropischer Gewebeausbildung hergestellt sind. Die in 14a gezeigte Anordnung stellt Stromflüsse im Ansprechen
auf eine mechanische Wechselwirkung dar, die im Wesentlichen der
in 10a gezeigten ähnlich
ist, und wobei im Wesentlichen ähnliche
Spannungen an den elektrischen Kontakten anliegen. Ähnlich sind 1401 und 1402 in 14b mit einer ähnlichen
mechanischen Wechselwirkung, aber mit umgekehrten Stromflüssen gezeigt,
so dass sie der in 10b gezeigten Anordnung im Wesentlichen
entsprechen.
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In
der in 14a gezeigten Anordnung fließt Strom
in der Schicht 1402 von einem Kontaktabschnitt 1418 zur
Stelle einer mechanischen Wechselwirkung 1403. Der Strom
fließt
vom Abschnitt 1418 in im Wesentlichen parallelen Linien 1404,
wovon einige direkt zum Punkt der mechanischen Wechselwirkung 1403 verlaufen.
In anderen Situationen wird der Fluss umgeleitet und verläuft dann
im Wesentlichen senkrecht zu den Linien 1404 quer entlang
der Linien 1405. Aufgrund des relativ niedrigen spezifischen
Widerstands der Gewebeschicht in dieser Richtung, fließt der Strom
mühelos
in diese Richtung.
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In
der oberen Schicht 1401 tritt der Strom an der Stelle der
mechanischen Wechselwirkung 1403 aus und bewegt sich mühelos entlang
der Flusslinien 1411 in der senkrechten Richtung nach außen. Ein Stromfluss
zum Abschnitt 1417 findet dann entlang im Wesentlichen
paralleler Flusslinien 1412 statt.
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Ein
sich ergebender Stromfluss, der auftritt, wenn die Flussrichtung
geändert
wird, ist in 14b gezeigt, die einen Zustand ähnlich dem
in 10b gezeigten zeigt, mit der Ausnahme, dass anisotropische
leitende Schichten verwendet werden. Dabei fließt der Strom anfänglich vom
Kontaktabschnitt 1416 zum Punkt der mechanischen Wechselwirkung 1403.
Wieder ist der durch die Flusslinien 1421 angegebene Stromfluss
vom Abschnitt 1416 im Wesentlichen parallel, wonach ein
durch die Flusslinien 1422 angegebener senkrechter Fluss
in der senkrechten Richtung zur Stelle der mechanischen Wechselwirkung
auftritt.
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An
der unteren leitenden Schicht 1402 tritt der Strom an der
Stelle der mechanischen Wechselwirkung 1403 aus und fließt dann
mühelos
in der senkrechten Richtung, wie durch die Flusslinie 1431 dargestellt
ist. Der Strom wird dann in im Wesentlichen parallelen Flusslinien 1432 zum
Kontaktabschnitt 1419 geleitet.
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Somit
werden, indem anisotropische Schichten mit einem in der zu den Kontaktabschnitten
in den jeweiligen Schichten parallelen Richtung niedrigeren Widerstand
verwendet weiden, die Widerstände 1111 und 1112 aus
diesem Modell effektiv ausgeschlossen. Dadurch sind die Messwerte
des Ausmaßes
der mechanischen Wechselwirkung deutlich genauer, wenn die mechanische
Wechselwirkung näher
an den Rändern
der Vorrichtung stattfindet. Dies stellt auch sicher, dass das Verhältnis 310 richtig
beibehalten und in Kombination eine zuverlässigere Vorrichtung erzielt
wird.