DE60030525T2

DE60030525T2 - Positionssensor zum Bestimmen der Position einer mechanischen Interaktion

Info

Publication number: DE60030525T2
Application number: DE60030525T
Authority: DE
Inventors: Lee David SANDBACH
Original assignee: Eleksen Ltd
Current assignee: Eleksen Ltd
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 2000-05-04
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2020-05-05
Also published as: AU4419800A; ZA200100405B; EP1099191B1; ATE338975T1; EP1099190A1; EP1099191A1; JP2003500759A; US20020180578A1; HK1038810A1; WO2000072239A1; JP2003500758A; AU4419900A; CA2337159A1; ZA200100403B; DE60030525D1; US6452479B1; US6714117B2; US6504531B1; DE60026019D1; WO2000072240A1

Description

Bezugnahme auf zugehörige Anmeldungen
Die vorliegende Erfindung wurde von Herrn David Lee Sandbach, der in Großbritannien ansässig ist, gemacht. Eine Erlaubnis gemäß Paragraph 23 (1) des Patent Gesetzes 1977 zur Einreichung einer Erstanmeldung außerhalb Großbritanniens wurde am 19. Mai 1999 erteilt. Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität aus der US-Patentanmeldung Nr. 09/315,139. Bezüglich der Benennung der USA wird die vorliegende Erfindung als Continuation-in-part-Anmeldung eingereicht.
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Positionssensor zum Bestimmen der Position einer mechanischen Interaktion.
Hintergrund zur Erfindung
Ein Positionssensor zum Bestimmen der Position einer mechanischen Interaktion ist in der Europäischen Patentveröffentlichung 0 989 509, die der US-Patentanmeldung 09/298,172, der koreanischen Patentanmeldung Nr. 99-40363, der japanischen Patentanmeldung Nr. 11-272,513 und der australischen Patentanmeldung 48770/99 entspricht und die alle dem vorliegenden Rechtsnachfolger zugeordnet sind, beschrieben. Der Positionssensor ist so aufgebaut, dass er die Position einer mechanischen Interaktion feststellt. Der Sensor ist ferner so aufgebaut, dass er die Größe einer mechanischen Interaktion messen kann, wobei die Darstellung der Größe einer mechanischen Interaktion aus Komponenten zusammengesetzt ist, die die Kraft der mechanischen Interaktion und die Fläche, über die die mechanische Interaktion wirksam ist, repräsentieren.
Ein Problem bei dem bekannten Positionssensor, der in den oben beschriebenen Patentanmeldungen beschrieben ist, ist, dass es möglich ist, dass fehlerhafte Messergebnisse erzielt werden, wenn der Sensor in bestimmten Richtungen gefaltet wird. Es werden zufriedenstellende Ergebnisses mit dem bekannten Sensor erzielt, wenn der Sensor auf einer ebenen Fläche, beispielsweise einem Schreibtisch oder Tisch oder dgl. angeordnet ist. Wenn der Sensor jedoch über eine gebogene Fläche gefaltet wird, ist es möglich, dass fehlerhafte Ergebnisse an Punkten, an denen der Sensor gefaltet ist, erzielt werden.
Der bekannte Sensor ist aus zwei elektrisch leitenden Textillagen hergestellt, wobei eine nicht leitende Lage zwischen diesen angeordnet ist. Um das Auftreten fehlerhafter Ergebnisse aufgrund des Faltens zu verringern, ist es bekannt, die nicht leitende Zentrallage zu verstärken und dicker auszubilden. Wenn die Zentrallage in dieser Weise verstärkt wird, ändert sich jedoch das Ansprechverhalten des Sensors derart, dass er auf mechanische Interaktionen weniger sensibel reagiert. Folglich wird es schwierig, den Sensor manuell zu betätigen, wenn eine mechanische Interaktion in Form einer manuellen Betätigung mit einem Finger auf den Sensor ausgeübt wird, beispielsweise um eine Position zu bestimmen, von der dann eine Aktion ausgelöst werden kann. Wenn die Zentrallage so abgeändert wird, dass mechanische Interaktionen einfacher ausgeführt werden können, besteht daher eine größere Wahrscheinlichkeit, dass ein fehlerhafter Kontakt entsteht.
Auch das US-Patent 4,659,873 offenbart einen Positionssensor, der die Probleme eines ungewollten Kontakts, z.B. aufgrund Faltens, dadurch löst, dass er Trennmittel zwischen den Lagen mit elektrisch leitenden Fäden verwendet.
Die Erfindung unterscheidet sich von solchen Lösungsansätzen dadurch, dass sie eine Kombination von zwei Sensoren nutzt, wobei die äußere Lage jedes Sensors aus einem flächigen Textil hergestellt ist. Die kombinierten Sensoren geben, wenn sie gefaltet werden, nur einen ungewünschten Kontakt zwischen den Lagen eines Sensors aufgrund der speziellen Eigenschaften des Textils (siehe nachfolgend) ab. Durch Bestimmen einer mechanischen (Nutzer) Interaktion auf der Basis einer Kombination der Signale beider Sensoren können Fehler aufgrund des Faltens verhindert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Positionssensor zum Bestimmen der Position einer mechanischen Interaktion, wie er im Anspruch 1 definiert ist, bereitgestellt.
Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
A zeigt einen bekannten Positionssensor, wie er im Stand der Technik beschrieben ist,
1 zeigt einen Positionssensor gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt detailliert den in 1 gezeigten Sensor,
3 stellt eine obere und eine untere Gewebelage des in 2 dargestellten Sensors dar,
4 zeigt eine alternative Ausführungsform zu der in 3 dargestellten Ausführungsform,
5 zeigt einen Abschnitt des in 2 dargestellten Sensors im Querschnitt,
6 zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform,
7 zeigt einen Querschnitt einer ersten alternativen Ausführungsform,
8 zeigt einen Querschnitt einer zweiten alternativen Ausführungsform,
9 zeigt einen Querschnitt einer dritten alternativen Ausführungsform,
10 zeigt einen Querschnitt einer vierten alternativen Ausführungsform,
11 zeigt einen Querschnitt einer weiteren bevorzugten Ausführungsform,
12 zeigt einen Querschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform,
13 zeigt einen Querschnitt einer weiteren alternativen Ausführungsform,
14 zeigt einen Sensor zum separaten Ermitteln einer Kraft und einer Fläche,
15A, 15B, 15C und 15D stellen Methoden zum Messen der Position einer Kraft, die an dem Positionssensor anliegt, dar,
16 zeigt einen Schnittenstellenschaltkreis des in 1 dargestellten Typs,
17 stellt ein Programm dar, das durch den in 16 dargestellten Schnittstellenschaltkreis ausgeführt wird,
18 stellt einen Abschnitt des Verfahrens dar, das in 17 dargestellt ist,
19 stellt detailliert ein weiteres Verfahren dar, das in 17 dargestellt ist, und
20 zeigt detailliert ein weiteres Verfahren gemäß 17.
Günstigste Ausführungsform der Erfindung
Ein Positionssensor des durch den Stand der Technik beschriebenen Typs ist in dem in A dargestellten Querschnitt gezeigt. Der Sensor weist elektrisch leitende äußere Textillagen A01 und A02, die durch eine Isolierlage A03 voneinander getrennt sind, auf. Die Isolierlage dient zum Verhindern eines elektrisch leitenden Kontakts zwischen den äußeren Lagen A01 und A02, außer an Positionen einer mechanischen Interaktion. Beispielsweise drückt an der Position A04 eine Kraft, die durch den Pfeil A05 gekennzeichnet ist, den Sensor gegen eine feste Oberfläche A06. Die Lagen werden folglich in engen Kontakt gebracht und aufgrund der offenen Struktur der Isolierlage A03 kommen die äußeren Lagen miteinander in Kontakt.
Durch Anlegen von elektrischen Spannungsgradienten über die äußere Lage A01 und durch Messen der elektrischen Spannung der äußeren Lage A02 kann die Position der mechanischen Interaktion bestimmt werden. Ferner kann durch Messen des Stroms, der durch die äußere Lage A02 fließt, ein Indikator für die Größe der Kraft A05 oder alternativ die Fläche, über die sie einen Druck auf den Sensor ausübt, ermittelt werden.
Eine Falte A07 in dem Sensor veranschaulicht ein Problem dieses Sensortyps. Die äußere Lage A01 wird an der Innenseite der Falte zusammengedrückt und drückt nach außen gegen die Isolierlage A03. Ferner drückt, aufgrund der offenen Struktur der Isolierlage, die Lage A01 gegen die äußere Lage A02 und erzeugt daher einen elektrisch leitenden Kontakt A08 zwischen den elektrisch leitenden Lagen. Der elektrisch leitende Kontakt A08 beeinflusst die positionsbezogene Spannungsmessung und Strommessung und führt daher zu einer fehlerhaften Interpretation der Position und der Fläche/Kraft der mechanischen Interaktion an der Position A04.
Ein Positionssensor 101, bei dem die vorliegende Erfindung verwirklich ist, ist in 1 dargestellt und aus Textillagen/Gewebelagen hergestellt und aufgebaut, um auf ebenen oder gebogenen Flächen aufzuliegen. Der Sensor reagiert auf mechanische Interaktionen und bei der in der 1 gezeigten spezifischen Anwendung sind diese mechanischen Interaktionen ein manueller Druck, der von einem Nutzer ausgeübt wird, um eine Auswahl zu treffen.
Bei dem in 1 dargestellten Beispiel stellt der Sensor 101 einen Ersatz für eine Fernsehfernbedienung, eine Videorekorderfernbedienung oder eine Satellitenempfängerfernbedienung bereit. Gegenüber einem festen Gegenstand, der mit einer Rei he von Tasten versehen ist, hat der Sensor den Vorzug, dass er im Wesentlichen aus einem Textil hergestellt ist und eine durch ein Möbelstück vorgegebene Form annehmen kann. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Sensor als separates Bauteil gezeigt, er kann jedoch bei einem alternativen Aufbau als Bestandteil eines Möbelstücks, beispielsweise eines Sofas 102, vorgesehen sein.
Der Sensor 101 umfasst einen Schnittstellenschaltkreis 103, der vorgesehen ist, um auf mechanische Interaktionen zu reagieren und Koordinatendaten und Druckkraftdaten über eine Schnittstellenleitung 104 an eine Verarbeitungsvorrichtung 105 bereitzustellen. Als Antwort auf mechanische Interaktionen, die durch einen Nutzer ausgeführt werden, werden die Positionsdaten an den Verarbeitungsschaltkreis 105 übermittelt, der wiederum Infrarotdaten über einen Infrarotsender 106 an ein audiovisuelles Gerät, beispielsweise einen Fernseher (TV) 107, übermittelt.
Ein Beispiel eines in 1 dargestellten Sensortyps ist in der 2 als Explosionsdarstellung gezeigt. Der Sensor umfasst zwei gewebte äußere Textillagen 201 und 202, die durch eine Zentrallage 203 voneinander getrennt sind. Die Zentrallage 203 ist eine gestrickte Textillage, die nur aus elektrisch leitenden Fasern hergestellt sein kann. Solch eine Faser kann beispielsweise eine mit Kohlenstoff beschichtete Nylonfaser sein. Vorzugsweise wird jedoch ein Garn bei der Strickware verwendet, die aus einer Mischung von Isolierfasern und elektrisch leitenden Fasern besteht und solch eine Zentrallage wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Eine erste Isoliernetzlage 204 ist zwischen der oberen Textillage 201 und der Zentrallage 203 angeordnet und eine zweite Isoliernetzlage 205 ist zwischen der unteren Textillage 202 und der Zentrallage 203 angeordnet. Die Isoliernetzlagen 204 und 205 bestehen aus als Kettengewirk hergestellten Polyestergeweben. Textilerzeugnisse dieser Art sind normal erhältlich und finden beispielsweise Anwendung bei Moskitonetzen.
Elektrisch leitende Fasern werden beim Weben der Lagen 201 und 202 verwendet und die Lagen 201 und 202 bilden daher zwei elektrisch leitende Lagen. Alternativ können die Lagen 201 und 202 aus nicht gewebten (Filzen) oder gestrickten Gewe ben oder aus Verbundstrukturen aufgebaut sein. Bei jeder Alternativen werden jedoch die elektrisch leitenden Fasern bei der Herstellung des Textils eingearbeitet, wodurch die elektrisch leitenden Lagen vorgesehen werden.
Zwei elektrische Verbinder 206 und 207 sind an einem rechteckigen Isolierstreifen 208 angeordnet, der entlang einer Kante der Textillage 201 angeordnet ist. Der Isolierstreifen wird durch Aufbringen einer Isoliertinte auf das Gewebe hergestellt, es kann jedoch alternativ auch ein Isolierklebeband sein. Die Verbinder 206 und 207 stellen Verbindungsmittel des Schnittstellenschaltkreises 203 zu niederohmigen Elementen 209 und 210 bereit. Die niederohmigen Elemente 209 und 210 sind aus einem Gewebe (Textilerzeugnis) hergestellt, das mit Metallwerkstoffen, beispielsweise Nickel oder Silber, beschichtet ist. Material dieses Typs ist einfach erhältlich und wird zum Abschirmen eines Geräts gegen elektromagnetische Störungen verwendet. Die niederohmigen Elemente sind an den elektrisch leitenden Textillagen 201 und an dem Isolierstreifen 208 mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs, beispielsweise einem auf Druck reagierenden Acrylklebstoff, der metallisierte Partikel enthält, befestigt. Abschnitte 216 und 217 der niederohmigen Elemente 209 und 210 treten daher mit den elektrisch leitenden Fasern der Lage 201 entlang zwei ihrer entgegengesetzten Kanten in elektrisch leitenden Kontakt. Der elektrisch leitende Klebstoff stellt sicher, dass eine Verbindung zwischen den niederohmigen Elementen 209 und 210 und den elektrisch leitenden Fasern gebildet wird. Aufgrund der Verbindung bleibt der Widerstand zwischen den elektrisch leitenden Fasern und den Kontaktabschnitten 216 und 217 durch Falten oder Biegen der Lage 201 unbeeinflusst. Dies ist wichtig, da sonst eine „kalte Verbindung" existieren würde, die die Abschnitte 216 und 217 mit 201 verbindet, und ein variierender Widerstand an den Verbindungen würde zu unzuverlässigen und möglicherweise nicht stabilen Messungen führen, wenn der Sensor betätigt würde.
Die niederohmigen Elemente 209 und 210 werden alternativ durch Befestigen, beispielsweise durch Annähen einer niederohmigen Faser an die Lage 201 und anschießendem Aufbringen eines elektrisch leitenden Klebstoffs oder Verbundstoffs auf diese und die Lage 201 gebildet. Die niederohmigen Elemente können alternativ durch Aufdrucken eines elastischen Polymers, das elektrisch leitende Partikel ent hält, auf die Lage 201 hergestellt werden. Alle alternativ beschriebenen Verfahren stellen eine geeignete Verbindung bereit, die eine zuverlässige elektrisch leitende Verbindung oder „Nass-Verbindung" ausbildet.
Die untere Textillage 202 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die obere Textillage 201, die die Verbinder 211 und 212, die an dem Isolierstreifen 213 vorgesehen sind, besitzt. Die Verbinder 211 und 212 stellen Mittel zum Verbinden des Schnittstellenschaltkreises 103 mit den niederohmigen Elementen 214 und 215 bereit. Die zwei Lagen 201 und 202 sind rechteckig und der Aufbau der Lage 202 ist zu dem der Lage 201 um 90° verdreht. Die Kontaktabschnitte 216 und 217 kontaktieren daher die elektrisch leitenden Fasern in der Lage 201 entlang zwei entgegengesetzten Kanten und die niederohmigen Elemente 214 und 215 weisen Kontaktabschnitte 218 und 219 auf, die die elektrisch leitenden Fasern in der Lage 202 entlang der abwechselnd gegenüberliegenden Kanten kontaktieren.
Die obere und die untere Textillage 201 und 202 sind getrennt in 3 dargestellt. Die Textillagen 201 und 202 sind Gewebelagen mit Grundbindungen, die elektrisch leitende Faser sowohl in der Kett- als auch der Schussrichtung aufweisen und daher in allen Richtungen entlang der jeweiligen Lagen elektrisch leitend sind. In 3 sind die Kettfasern 301 der Lage 201 ungefähr horizontal dargestellt und erstrecken sich zwischen den zwei Kontaktabschnitten 216 und 217, während die Schussfasern 302 sich parallel zu den Kontaktabschnitten 216 und 217 erstrecken und ungefähr vertikal dargestellt sind. In der Lage 202 sind die Kettfasern 301 ungefähr vertikal dargestellt und erstrecken sich zwischen den Kontaktabschnitten 218 und 219, während die Schussfasern 302 sich parallel zu den Kontaktabschnitten 218 und 219 erstrecken und ungefähr horizontal dargestellt sind.
Es ist vorteilhaft für den Betrieb des Sensors, wenn Strommessungen ausgeführt werden, wenn die Lagen 201 und 202 eine anisotropische Leitfähigkeit aufweisen. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Lagen 201 und 202 in den parallel zu ihren jeweiligen Kontaktabschnitten verlaufenden Richtungen eine größere Leitfähigkeit aufweisen. Wenn der Sensor betätigt wird und ein Spannungsgradient zwischen den zwei ein Paar bildenden Kontaktabschnitten anliegt, weist die jeweilige Lage in einer Richtung rechtwinklig zu dem Spannungsgradient eine höhere und parallel zu dem Spannungsgradienten eine geringere Leitfähigkeit auf. Um die gewünschte anisostropische Leitfähigkeit zu erzielen, werden Kettfasern ausgewählt, die einen höheren Widerstand als die Schussfasern aufweisen. Aus diesem Grund sind die Kettfasern 301 24 decitex Kohlenstoff beschichtete Nylon-6-Fasern, die von BASF verkauft werden und durch das Bezugszeichen F901 gekennzeichnet sind. Solche mit Kohlenstoff beschichteten Fasern sind allgemein erhältlich und werden in elektrostatischen Dissipationsanwendungen benutzt. Die Schussfasern sind 16-Decitex-Monofilamentfasern, die mit Nickel und/oder Silber elektrochemisch beschichtet sind und unter dem Warenzeichen „Xstatic" von Sauquoit Industries Inc., Pennsylvania, USA verkauft werden. Ähnliche metallisierte Fasern sind allgemein erhältlich und werden normalerweise in elektromagnetischen Störungsabschirmungen verwendet. Ein typischer spezifischer Widerstand für eine Schussfaser beträgt 500 Ohm pro Zentimeter, verglichen mit ungefähr 200 K-Ohm pro Zentimeter für die Kettfasern. In den Lagen 201 und 22 ist das Textilerzeugnis mit dem gleichen durchschnittlichen Abstand von 7,3 Fasern pro Millimeter sowohl für den Schuss als auch die Kette gewebt. Aufgrund des unterschiedlichen spezifischen Widerstands der Kettfasern und der Schussfasern ist der Lagenwiderstand in den Richtungen parallel zu den Kontaktabschnitten ungefähr 400-mal geringer als der Lagenwiderstand in der senkrechten Richtung.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind die äußeren Textillagen 201 und 202 durch jeweils äußere Textillagen 401 und 402, wie in 4 dargestellt, ersetzt. Der Aufbau der Lagen 401 und 402 ist dem der Lagen 201 und 202 bis auf die Fasertypen, die für Kette und Schuss verwendet werden, ähnlich. Kontaktabschnitte 403 und 404 sind daher entlang gegenüberliegender Kanten der Lage 401 und elektrisch leitende Kontaktfasern in der vorgenannten Lage angeordnet, während Kontaktabschnitte 405 und 406 entlang der abwechselnd gegenüberliegenden Kanten der Lage 402 angeordnet sind und zu den elektrisch leitenden Fasern in der Lage 402 in elektrisch leitenden Kontakt treten.
Die äußere Lage 401 umfasst elektrisch leitende Fasern 407, die in Richtung des Stroms, der von dem Kontaktabschnitt 403 zu dem Kontaktabschnitt 404 fließt, leitend sind. Die Querfäden 408 sind in einer Richtung leitend, die sich zu dieser recht winklig erstreckt, und stellen einen linearen Spannungsgradienten über die Bahn sicher, sogar wenn der Widerstand der Verbindungen zwischen Querfasern 407 und den Kontaktabschnitten 403 und 404, wie es in einem Herstellungsschritt erwartet wird, variabel ist. Isolierfasern 409 sind zwischen benachbarten parallelen elektrisch leitenden Fasern 407 in der Kettrichtung und zwischen benachbarten parallelen elektrisch leitenden Fasern 408 in der Schussrichtung angeordnet. Die anisotropische Leitfähigkeit wird bei der vorliegenden Ausführungsform durch Wahl eines anderen Verhältnis der elektrisch leitenden Fasern 407 und 408 zu nicht leitenden Fasern 409 für die Kettrichtung und die Schussrichtung erzielt. In der Richtung, die sich zu den Kontaktabschnitten 403 und 404 rechtwinklig erstreckt und die sich in der Zeichnung der Lage 401, die in 4 dargestellt ist, horizontal erstreckt, wechselt sich eine Isolierfaser mit einer elektrisch leitenden Faser 402 ab. Es ist daher eine gleiche Menge von beiden vorgesehen. Bei der rechtwinkligen Richtung sind jedoch zwei elektrisch leitende Fasern 408 für jede parallel angeordnete Isolierfaser 409 vorgesehen. Wenn der Sensor in der Richtung rechtwinklig zu dem anliegenden Stromfluss oder in der Richtung, die sich rechtwinklig zu dem Spannungsgradienten erstreckt, betätigt wird, ist die Leitfähigkeit erhöht.
Die äußere Textillage 402 weist einen ähnlichen Aufbau wie die Lage 401 auf, ist jedoch um 90° verdreht. Das Gewebe umfasst daher Schussfasern, die sich im Wesentlichen parallel zu den Kontaktabschnitten 405 und 406 erstrecken, und Kettfasern, die sich zu den Kontaktabschnitten 405 und 406 rechtwinklig erstrecken. Die Lage 402 ist ähnlich wie die Lage 401 anisotrop, da ihr Gewebe zwei elektrisch leitende Fasern 408 für jede Isolierfaser 409 in der Schussrichtung umfasst, während es eine gleiche Anzahl von elektrisch leitenden Fasern 407 zu Isolierfasern 409 in der Kettrichtung enthält.
Bei der vorliegenden Ausführungsform können die elektrisch leitenden Fasern 407 und 408 in der Schussrichtung und in der Kettrichtung den gleichen spezifischen Widerstand aufweisen, da die anisotrope Leitfähigkeit der Lagen durch Wahl des Verhältnisses der elektrisch leitenden Fasern zu den Isolierfasern erzielt wird. Eine ähnliche mit Kohlenstoff beschichtete Nylonfaser kann daher in der Schussrichtung und der Kettrichtung des Gewebes verwendet werden.
Ein Abschnitt des in 2 gezeigten Sensors ist in dem Querschnitt von 5 dargestellt. Die Abstände zwischen den Lagen sind zur Klarheit in dieser und den nachfolgenden Figuren vergrößert dargestellt. Eine Kraft, die durch einen Pfeil 501 gekennzeichnet ist, drückt den Sensor an der Stelle 502 gegen eine feste Oberfläche 503. An der Position 502 werden die äußeren Textillagen 201 und 202 gegen die jeweiligen Netzlagen 204 und 205 gedrückt. Aufgrund der offenen Struktur des Netzes können daher die äußeren Textillagen mit der Zentrallage 204 durch die Öffnungen in dem Netz in Kontakt treten und die elektrisch leitenden Fasern in den äußeren Textillagen können ferner mit den elektrisch leitenden Fasern, die in der Zentrallage enthalten sind, in Kontakt treten. Die elektrisch leitenden Fasern der Zentrallage dienen daher als ein elektrisch leitendes Mittel, das einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den äußeren elektrisch leitenden Textillagen 201 und 202 an der Position der mechanischen Interaktion bereitstellt.
Bei einer alternativen Ausführungsform, bei der die Strommessungsgenauigkeit nicht kritisch ist, können die Kosteneinsparungen durch Verringern des Verhältnisses der elektrisch leitenden Fasern zu den Isolierfasern, die in den äußeren Lagen verwendet werden, und insbesondere durch Verringern der Anzahl der elektrisch leitenden Fasern in einer Richtung parallel zu den Kontaktabschnitten erzielt werden.
Die gestrickte Zentrallage 203 weist einen komprimierbaren Aufbau auf, dessen Leitfähigkeit (geringerer Widerstand) ansteigt, wenn sie zusammengedrückt wird. Dies tritt aufgrund von Schleifen in der elektrisch leitenden Faser auf, die immer stärker mit anderen Schleifen in Kontakt tritt, wenn sie zusammengedrückt werden. Der Widerstand zwischen den äußeren Lagen an der Position 502 nimmt daher ab, wenn die Kraft, die durch den Pfeil 501 gekennzeichnet ist, ansteigt. Dann, wenn der Druck, der an dem Sensor an der Position 502 anliegt, konstant bleibt, jedoch die Fläche, über die sie anliegt, ansteigt, fällt der Widerstand zwischen den äußeren Lagen aufgrund der ansteigenden Anzahl an elektrisch leitenden Fasern in der Zentrallage, die mit den äußeren Lagen in Kontakt kommen, ab.
Der in 5 dargestellte Sensor wird an der Position 504 gefaltet, wodurch eine der elektrisch leitenden Lagen mit der Zentrallage in Kontakt gebracht wird. Eine Eigen schaft vieler Textilien ist, dass sie sich als Folge von Zugkräften dehnen, jedoch können sie aufgrund von Kompressionskräften nicht so einfach zusammengedrückt werden. Folglich neigen Textilien eher dazu, wenn sie an Positionen, an denen eine Kompressionskraft anliegt, zusammengedrückt werden, eine Falte zu bilden und gerafft zu werden.
Bestimmte Textilstrukturen reagieren in entgegengesetzter Weise, nämlich eher zusammengedrückt als gestreckt zu werden, und in diesem Fall wird ein elektrisch leitender Kontakt an der Position 505 zwischen der Zentrallage 203 und der äußeren Lage 201 hergestellt. In der Praxis ist es sehr selten, dass ein elektrischer Kontakt aufgrund solcher Kompressions- und Zugkräfte auf beiden Seiten der Zentrallage an der Stelle einer Falte auftritt.
Bei der in 5 dargestellten Situation wurde eine Falte an der Position 504 gebildet. Aufgrund dieser Falte neigen die äußeren Umfänge der Gewebeanordnung dazu, sich unter Zugbeanspruchung zu befinden und werden sich daher ausdehnen, wobei die inneren Umfänge der Gewebeanordnung zusammengedrückt werden, wodurch Bündel gebildet werden. Diese Bündelung verursacht wiederum eine nach außen gerichtete Radialkraft, wodurch ihre äußeren Umfänge mit den inneren Umfängen der benachbarten Lagen in Kontakt gebracht werden. Kompressionskräfte werden daher wirksam und eine Bündelung tritt daher an der Innenseite einer Falte auf.
Wie in 5 dargestellt, wird die elektrisch leitende Lage 202 an der Position 505 mit der Zentrallage 203 durch die Isolierlagen 205 in Kontakt gebracht. Aufgrund dieses Faltens tritt ein elektrisch leitenden Kontakt dort auf, wo diese zwei Lagen miteinander in Kontakt gebracht werden. Ein ähnlicher Kontakt tritt jedoch nicht zwischen der Zentrallage 203 und der elektrisch leitenden Lage 201 auf. Obwohl eine Leitung zwischen der elektrisch leitenden Lage 202 und der Zentrallage 203 auftritt, besteht folglich keine ähnliche Leitung zwischen der Zentrallage 203 und der elektrisch leitenden Lage 201 derart, dass das Vorhandensein der Falte nicht zu verfälschten Ausgabesignalen führt.
Das Aufbringen einer Kraft, wie es durch den Pfeil 501 gekennzeichnet ist, führt da zu, dass alle elektrisch leitenden Lagen derart in Kontakt treten, dass ein Strom zwischen den Lagen, an denen eine Spannung anliegt, fließen kann. Wenn eine scharfe Falte in dem Sensor, wie an der Position 504 dargestellt, ausgebildet wird, kann jedoch nur eine Verbindung zwischen zwei dieser Lagen auftreten. Folglich ist immer noch eine Isolierung zwischen der Zentrallage und der anderen äußeren Lage derart vorhanden, dass dies nicht als ein Aufbringen einer Kraft oder einer ähnlichen mechanischen Interaktion interpretiert wird.
Theoretisch ist es möglich, dass eine Falte dazu führt, dass ein Strom entlang der Zentrallage 203 zu einer Position einer aktuellen mechanischen Interaktion geleitet wird. Aus diesem Grund ist es für die Zentrallage 203 vorteilhaft, eine relativ geringe Leitfähigkeit entlang der Lage, verglichen mit der Leitfähigkeit über ihre Dicke, aufzuweisen. Dies ist ferner verbessert, wenn die Zentrallage 203 solch eine Eigenschaft aufweist, dass ihre Leitfähigkeit stark ansteigt, wenn der Werkstoff unter Druck gesetzt wird. Ein zusammengedrückter Abschnitt an einer Position einer mechanischen Interaktion wird daher dazu neigen, einen relativ geringen Widerstand aufzuweisen. Dies ist vergleichbar zu der nicht komprimierten Zentrallage, die dazu neigt, einen viel höheren Widerstand aufzuweisen. Dies stellt in Verbindung mit der relativen Länge der Zentrallage zwischen der Position einer Falte und der Position einer mechanischen Interaktion sicher, dass ein Anteil des Stroms, der in dieser Weise weitergeleitet wird, verglichen mit dem Anteil des Stroms, der durch eine wirkliche mechanische Interaktion fließt, relativ gering ist.
Ein Abschnitt des Positionssensors der bevorzugten Ausführungsform ist in dem Querschnitt von 6 dargestellt. Die äußeren elektrisch leitenden Textillagen 201 und 202 und die Zentrallage 203 gehören zu dem gleichen Typ, wie die, die unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben wurden. Bei dieser Ausführungsform stellt jedoch ein Raster von Isolierklebstoffpunkten 601 die Isoliertrennmittel zwischen der äußern Lage 201 und der Zentrallage 203 bereit und ein ähnliches Raster von Punkten stellt die Isoliertrennmittel zwischen der äußeren Lage 202 und der Zentrallage 203 bereit. Der Isolierklebstoff ist ein Polyurethan-Klebstoff, der von Penn Nyla, Nottingham, Großbritannien vertrieben wird, jedoch ähnliche Werkstoffe mit anderen Eigenschaften sind von einer Anzahl von Herstellern erhältlich. Solche Klebstoffe werden im Allgemeinen als endlose Laminatlagen zum imprägnieren von Stoffen verwendet. Der Klebstoff wird durch Mischen mit einem Lösemittel und Aufdrucken der flüssigen Lösung aufgetragen. Der Klebstoff wird dann unter Wärmeeinwirkung, nachdem die Lagen zusammengebracht wurden, ausgehärtet.
Die Rasteranordnung von Klebstoffpunkten stellt die gleiche Isolierung wie die oben beschriebenen Netzlagen bereit, dient jedoch auch dazu, die Lagen an ihrer benachbarten Lage oder Lagen zu befestigen. Kein weiterer Laminierungsvorgang ist daher notwendig.
Die Klebstoffpunkte können alternativ durch Klebstoffstreifen oder ein Netzwerk von Klebstoffreihen ersetzt werden.
Ein Abschnitt eines alternativen Positionssensors 701, der die vorliegende Erfindung verwirklicht, ist im Querschnitt in 7 dargestellt. Der Sensor weist zwei äußere Lagen 702 und 703 auf, die durch eine Zentrallage 203, die unter Bezugnahme auf 2 oben beschrieben wurde, voneinander getrennt sind. Die äußeren Lagen 702 und 703 sind gewebt, wobei Fäden eines Isoliergarns 704 und eine elektrisch leitende Faser 705 in der Kett- und Schussrichtung abwechselnd verwendet werden. Das nicht elektrisch leitende Garn 704 weist einen größeren Durchmesser als die elektrisch leitende Faser 705 auf und die elektrisch leitende Faser ist daher unterhalb der allgemeinen Oberfläche der Lagen 702 und 703 eingebettet. Die Einbettung der elektrisch leitenden Faser 705 ist weiter durch Verwenden einer einzelnen Filamentfaser des mit Kohlenstoff beschichteten Nylon-6 verbessert, während das Isoliergarn durch Verzwirnen eines Bündels von dünnen Polyesterisolienfasern hergestellt wird, wobei eine jede einen kleineren Durchmesser als die elektrisch leitende Faser aufweist. Die elektrisch leitende Faser kann daher wesentlich weniger zusammengedrückt werden als das Isoliergarn und ist nicht so flexibel wie das Isoliergarn und bleibt daher gerader als das Isoliergarn in dem gewebten Material.
Die elektrisch leitende Faser 705 in der Kett- und Schussrichtung der Lage 702 bildet daher eine elektrisch leitende Lage, die eine Leitfähigkeit in allen Richtungen entlang der Lage 702 ermöglicht. Die derart ausgebildete elektrisch leitende Lage ist zu der elektrisch leitenden Faser in der Zentrallage durch das Isoliergarn 704 abgesetzt. Die elektrisch leitende Lage wird an den Oberflächen der Lage durch Aufbringen eines Drucks freigelegt. Das Isoliergarn sieht daher ein Isoliertrennmittel zwischen der elektrisch leitenden Lage innerhalb der Lage 702 und der leitenden Faser in der Zentrallage vor. Die elektrisch leitende Faser 705 innerhalb der Lage 703 bildet in ähnlicher Weise eine elektrisch leitende Lage, die eine Leitung in alle Richtungen entlang der Schicht ermöglicht, und das Isoliergarn 704 stellt ein Isoliertrennmittel zwischen der elektrisch leitenden Lage und den elektrisch leitenden Fasern innerhalb der Zentrallage bereit.
Unter dem Druck einer aufgebrachten externen Kraft werden die elektrisch leitenden Fasern der äußeren Lagen mit der elektrisch leitenden Faser der Zentrallage in Kontakt gebracht, so dass die elektrisch leitende Faser innerhalb der Zentrallage einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den zwei äußeren leitenden Lagen bereitstellt. An anderen Punkten, beispielsweise an einer Falte, übernimmt das Isoliergarn jedoch die Funktion der Netzlagen von 5 und verhindert, dass ein elektrisch leitender Pfad gebildet wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Isoliergarn durch eine einzelne Filamentisolierfaser mit einem größeren Durchmesser als dem der leitenden Faser 705 ersetzt werden. Die elektrisch leitende Faser wird dann in den Lagen 702 und 703 aufgrund ihres kleineren Durchmessers zurückversetzt aufgenommen.
Ein Abschnitt eines weiteren alternativen Positionssensors 801 ist in der Querschnittsansicht von 8A dargestellt. Der Sensor 801 weist äußere elektrisch leitende Textillagen 201 und 202 des unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschriebenen Typs auf. Die äußeren Lagen sind jedoch durch eine Zentrallage 802 voneinander getrennt, die gemäß einem Muster unter Verwendung eines Multifilamentisoliergarns und einer separaten leitenden Faser gestrickt ist, wobei das Muster derart ausgelegt ist, dass die leitende Faser an elektrisch leitenden Inseln 803 konzentriert ist, die von einem flächigen Textil umgeben sind, das hauptsächlich aus dem Isoliergarn gebildet ist. Jede elektrisch leitende Insel ist daher von einem Textilabschnitt 804 mit sehr hohem Widerstand umgeben. Die Arbeitsweise des Sensors ist opti miert, wenn das Textil 804 insgesamt nicht leitfähig ist. Damit eine unendliche Länge von elektrisch leitenden Fasern bei dem Strickherstellungsverfahren verwendet werden kann, ohne dass die elektrisch leitende Faser getrennt werden muss, ist jede Insel mit zwei benachbarten Inseln durch eine endlose elektrisch leitende Faser verbunden. Beispielsweise ist die Insel 803 jeweils mit den Inseln 805 und 806 durch Abschnitte von elektrisch leitenden Fasern 807 und 808 verbunden. Das gestrickte Textil ist derart aufgebaut, dass die Verbindungsabschnitte der elektrisch leitenden Faser, beispielsweise 807, innerhalb des nicht leitenden Textils eingebettet sind.
Die gestrickte Zentrallage 802 ist ferner auch so aufgebaut, dass die elektrisch leitenden Inseln von der allgemeinen Fläche des Textilabschnitts 804 mit hohem Widerstand abgesetzt sind. Beispielsweise bildet die leitende Faser der elektrisch leitenden Insel 806 eine obere Fläche 809, die unterhalb der allgemeinen Oberfläche 810 des umgebenden Textilabschnitts 804 mit hohem Widerstand angeordnet ist. Das Absetzen der elektrisch leitenden Faser wird durch Anlegen einer höheren Zugkraft an diese während des Strickvorgangs erzielt.
Eine Ansicht der oberen Fläche der Zentrallage 802 ist in 8B dargestellt. Wie dargestellt, ist jede der elektrisch leitenden Inseln, beispielsweise 803, 805 und 806 von dem im Wesentlichen nicht leitenden Gewebe 804 umgeben. Die Leitfähigkeit in der Zentrallage 802 ist daher in allen Richtungen entlang der Lage minimiert.
Im Betrieb verhält sich der Sensor 801 ähnlich wie die oben beschriebenen. An dem Punkt einer anliegenden externen Kraft werden die elektrisch leitenden äußeren Lagen 201 und 202 mit den elektrisch leitenden Fasern in einer Anzahl von elektrisch leitenden Inseln in elektrisch leitenden Kontakt gedrückt. Die elektrisch leitenden Fasern in der Zentrallage stellen daher einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den elektrisch leitenden äußeren Lagen an der Position einer mechanischen Interaktion bereit.
An anderen Punkten, beispielsweise an einer Falte des Textils, verhindert das Isoliergarn innerhalb des Textilabschnitts 804 mit hohem Widerstand, dass die beiden äußeren Lagen gleichzeitig mit der elektrisch leitenden Faser der Zentrallage an ei nem bestimmten Punkt in Kontakt treten. Das Isoliergarn innerhalb der Zentrallage bildet daher ein Isoliertrennmittel, das zwischen jeder der elektrisch leitenden äußeren Lagen und den leitenden Mitteln innerhalb der Zentrallage angeordnet ist. Diese bildet ein flächiges Textil, das über seine Dicke leitfähiger ist als entlang der Lage, wodurch irgendwelche Störungen der Positionsdaten einer mechanischen Interaktion, die durch den Kontakt zwischen der Zentrallage und einer äußeren Lage aufgrund der Faltung an einer nahen Position erzeugt wird, weiter verringert werden.
Ein Abschnitt eines weiteren alternativen Positionssensors 901 ist im Querschnitt in 9A dargestellt. Der Sensor 901 umfasst elektrisch leitende äußere Lagen 201 und 202 des unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschriebenen Typs, die durch eine gestrickte mittlere Zentrallage 902 voneinander getrennt sind. Die Zentrallage 902 ist unter Verwendung eines Garns gestrickt, das durch Verzwirnen einer elektrisch leitenden Faser mit einer Mehrzahl von Isolierfasern hergestellt ist. Die Fasern sind derart ausgewählt, dass die elektrisch leitende Faser von dem allgemeinen Profil der Oberfläche des Garns zurückversetzt ist.
Ein Abschnitt des gemischten Fasergarns 903, der verwendet wird, um die Zentrallage 902 zu erzeugen, ist in 9B dargestellt. Das Garn 903 wird auf einer herkömmlichen Vorrichtung durch Verzwirnen eines Bündels von Monofilamentpolyesterfasern 904 mit einer mit Kohlenstoff beschichteten Einzelfilament-Nylonfaser 905 hergestellt. Während der Herstellung des Garns 903 wird die leitende Faser 905 unter einer höheren Zugbeanspruchung als die Isolierfasern 904 verzwirnt und die elektrisch leitende Faser ist daher unterhalb des allgemeinen Profils der Isolierfasern zurückversetzt. Das Zurückversetzen wird ferner durch Auswählen einer elektrisch leitenden Faser mit geringfügig größerem Durchmesser und daher einer höheren Steifigkeit als die einzelnen Isolierfasern unterstützt.
Bei Verwendung des Garns 903 für die Erzeugung der Zentrallage 902 verhindern daher die Isolierfasern 904, dass die elektrisch leitende Faser 905 mit den elektrisch leitenden äußeren Lagen 201 und 202 außer an den Punkten, an denen eine Kraft anliegt, in Kontakt tritt. Ferner halten die Abschnitte der Isolierfasern 904 innerhalb der Struktur der Zentrallage 902 die elektrisch leitenden Fasern auf Abstand. Wenn jedoch eine externe Kraft an dem Sensor ausgeübt wird, wird die Zentrallage an dem Punkt der anliegenden Kraft zusammengedrückt und Abschnitte der elektrisch leitenden Faser treten zunehmend miteinander in Kontakt. Folglich nimmt der Widerstand zwischen den äußeren Lagen durch die Zentrallage ab, wenn die anliegende Kraft ansteigt.
Ein Abschnitt eines gemischten Fasergarns 906, das einen alternativen Aufbau zu dem Garn von 9B aufweist, ist in 9C dargestellt. Das Garn 906 wird in einer herkömmlichen Vorrichtung durch Verzwirnen eines Bündels von feinen flexiblen Isolierfasern 907 mit einer einzelnen elektrisch leitenden Faser 908 mit geringerer Flexibilität hergestellt. Bei diesem Beispiel umfasst das Garn 906 zehn 16-Decitx-Monofilamentpolyesterfasern 907 und eine 24-Decitex-Monofilament-Nylon-6-Faser, die mit Kohlenstoff beschichtet ist. Aufgrund des relativ großen Durchmessers und daher der relativen Steifigkeit der elektrisch leitenden Faser 908 wickeln sich die Isolierfasern um die leitende Faser. Die elektrisch leitende Faser wird daher unterhalb des allgemeinen Profils der Oberfläche des Garns zurückversetzt.
Ein Abschnitt eines weiteren alternativen Positionssensors 1001 ist im Querschnitt in 10 dargestellt. Eine Zentrallage 1002 trennt die äußeren Lagen 201 und 202, die von dem gleichen Typ, wie bezüglich 2 und 3 beschrieben, sind, voneinander. Die Zentrallage ist ein verfilztes (nicht gewebtes) flächiges Textil, das eine Mischung von elektrisch leitenden Fasern und Isolierfasern aufweist. Die elektrisch leitenden Faser werden derart hergestellt, dass sie kürzer als die Dicke der Zentrallage sind, und daher kann sich keine der elektrisch leitenden Fasern vollständig durch die Zentrallage erstrecken. Ferner ist das Verhältnis von elektrisch leitenden Fasern zu nicht leitenden Fasern derart, dass kein elektrisch leitender Pfad über die Dicke der Zentrallage oder entlang der Zentrallage vorhanden ist, wenn diese nicht zusammengedrückt ist. An Positionen, an denen keine externe Kraft an dem Sensor anliegt und die Zentrallage nicht zusammengedrückt ist, können daher einige elektrisch leitende Fasern in der Zentrallage mit der äußeren Lage in Kontakt treten, es existiert jedoch kein elektrisch leitender Pfad zwischen den äußeren Lagen.
An der Position 1003 wird der Sensor durch eine anliegende externe Kraft, die durch den Pfeil 1004 gekennzeichnet ist, zusammengedrückt. Die Kraft bringt die drei Lagen in engen Kontakt und die elektrisch leitenden Fasern der Zentrallage treten mit den elektrisch leitenden äußeren Lagen in Kontakt. Die elektrisch leitenden Fasern innerhalb der Zentrallage treten ferner mit solch anderen Fasern in Kontakt und ein elektrisch leitender Pfad wird durch die Zentrallage hindurch zwischen den zwei äußeren Lagen gebildet. Wenn die Kraft ansteigt, wird die Lage weiter zusammengedrückt, wodurch die elektrisch leitenden Fasern weitere Verbindungen mit weiteren solcher Fasern aufbauen und der Widerstand zwischen den äußeren Lagen fällt ab.
An der Position 1005 ist der Sensor gefaltet und erzeugt einen lokalen leitfähigen Bereich innerhalb der Zentrallage nah seiner Innenfläche 1006. Der leitfähige Bereich erstreckt sich jedoch nicht durch die Lage 1002 und es wird daher kein elektrisch leitender Pfad gebildet.
Dieser Aufbau sieht einen Positionssensor zum Bestimmen der Position einer anliegenden mechanischen Interaktion vor, an der die mechanische Interaktion eine Fläche und eine Kraft aufweist. Die Anordnung umfasst eine erste Textillage 201, die in diese eingearbeitete elektrisch leitende Fasern aufweist, um eine erste elektrisch leitende äußere Lage bereitzustellen und eine zweite Textillage 202, die in diese eingearbeitete elektrisch leitende Fasern aufweist, um eine zweite elektrisch leitende äußere Lage bereitzustellen. Eine einzige Zentrallage 1002 ist vorgesehen, die zwischen der ersten Textillage und der zweiten Textillage angeordnet ist. Die Zentrallage umfasst eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Fasern oder Partikeln derart, dass ein elektrisch leitender Pfad durch die Fasern oder durch Partikel vorgesehen wird, wenn der Isolierwerkstoff zusammengedrückt wird.
Ein Abschnitt eines weiteren alternativen Positionssensors 1101 ist im Querschnitt in 11 dargestellt. Eine Zentrallage 1102 trennt die äußeren Lagen 201 und 202, die zu dem Typ, der bezüglich 2 und 3 beschrieben wurde, gehören. Die Zentrallage 1102 besteht aus elektrisch leitenden Filamenten, die in einen komprimierbaren elastischen Polymerverbundwerkstoff verteilt sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der elastische Polymerverbundwerkstoff ein Silikonkautschukverbundwerkstoff. Die elektrisch leitenden Filamente sind kurz genug, dass sie sich nicht ü ber die Dicke der Lage erstrecken können und die Dichte der Filamente innerhalb des Silikonverbundwerkstoffs ist derart, dass sie im Allgemeinen sich nicht miteinander verbinden. Wenn die Lage komprimiert wird, treten die Fasern innerhalb der Zentrallage vermehrt mit anderen solchen Fasern in Kontakt und bilden einen lokalen elektrisch leitenden Bereich. Eine an der Position 1103 anliegende Kraft, die durch den Pfeil 1104 gekennzeichnet ist, drückt daher die Lagen 201, 202 und 1102 zusammen und die elektrisch leitenden Fasern innerhalb der Zentrallage stellen einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den äußeren elektrisch leitenden Lagen bereit.
Die Empfindlichkeit der Sensoren, wie der Sensor 1101, wird durch die Dichte der Fasern innerhalb des Silikonverbundwerkstoffs und die Kompressibilität des Silikonverbundwerkstoffs bestimmt.
Bei einer alternativen Ausführungsform werden die kurzen Filamente in der Zentrallage 1102 durch elektrisch leitende Partikel, beispielsweise Nickelpulver, ersetzt.
Ein Abschnitt eines weiteren alternativen Positionssensors 1201 ist im Querschnitt in 12 dargestellt. Eine Zentrallage 1202 trennt die äußeren Lagen 201 und 202 voneinander, die zu dem Typ, der bezüglich 2 und 3 beschrieben ist, gehören. Eine Zentrallage 1202 ist aus einem Textil (alternativ kann es jedoch ein anderer verformbarer Werkstoff sein) aufgebaut und weist zurückversetzte elektrisch leitende Elemente 1203, die sich über die Dicke der Lage 1202 erstrecken, zusammen mit einem vorspringenden nicht leitenden Element 1204 auf. An Positionen, an denen keine externen Kräfte anliegen, stellen daher das abgehobene nicht leitende Element 1204 ein Isoliertrennmittel zwischen jeder der äußeren Lagen und den elektrisch leitenden Elementen 1203 bereit. Die elektrisch leitenden Elemente 1203 sind voneinander durch das nicht leitende Element 1204 isoliert und die Lage 1202 ist daher nicht in allen Richtungen entlang der Lage leitfähig. Das nicht leitende Element 1204 ist aus einem Textil gebildet, das offene Freiräume entsprechend den elektrisch leitenden Elementen 1203 mit aufgedruckten elektrisch leitenden Werkstoff, beispielsweise einem elektrisch leitenden elastischen Polymer, der die elektrisch leitenden Elemente 1203 bildet, aufweist. Der elektrisch leitende Werkstoff ist hier relativ inkompressibel und weist daher einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der bei sich veränderndem Druck relativ stabil ist.
An der Position 1205 wird der Sensor durch eine extern anliegende Kraft, die durch den Pfeil 1206 gekennzeichnet ist, zusammengedrückt. Eine Anzahl der elektrisch leitenden Elemente wird mit beiden äußeren Lagen in Kontakt gebracht und ein elektrisch leitender Pfad wird daher zwischen den äußeren Lagen erzeugt. Eine Erhöhung der anliegenden Kraft erzeugt nur eine relativ kleine Veränderung des Widerstands zwischen den zwei äußeren Lagen, da die elektrisch leitenden Elemente inkompressibel sind. Wenn die Fläche, über die die Kraft anliegt, wächst, steigt auch die Anzahl an elektrisch leitenden Elementen an, die einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den äußeren Lagen bereitstellen. Der Widerstand zwischen den äußeren Lagen fällt daher ab, wenn die Fläche der mechanischen Interaktion ansteigt, ist jedoch von der Veränderung der Kraft relativ unbeeinflusst.
Ein weitere alternative Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Querschnitt in 13 dargestellt. Ein Sensor 1301 umfasst die äußeren Lagen 201 und 202 des Typs, der unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben wurde, und die mittels einer Zentraltextillage 1302 voneinander getrennt sind. Die elektrisch leitenden äußeren Lagen 201 und 202 sind mittels eines Rasters von nicht leitenden Klebepunkten 601 und 602 an der Zentrallage 1302 befestigt. Die Klebepunkte 601 und 602 gehören zu dem Typ, der vorangehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wurde. Die Zentrallage ist durch Aufdrucken eines elektrisch leitenden druckfähigen Werkstoffs, beispielsweise eine elektrisch leitende Tinte, auf ein Isoliertextil 1303, das eine offene Gewebestruktur aufweist, um ein Raster von Klebepunkten zu erzeugen, hergestellt. (Alternativ kann ein gestricktes oder ein nicht gewebtes flächiges Textil anstelle des Gewebes mit offener Struktur verwendet werden.) Die Tinte durchdringt das Textil 1303 über seine Dicke, um ein Raster von elektrisch leitenden Inseln 1304 zu bilden, die einen elektrisch leitenden Pfad über die Dicke der Textillage 1302 bereitstellen. Das Muster und der Abstand der Punkte 601 und 602 werden derart gewählt, dass sie sich von den Mustern und dem Abstand der elektrisch leitenden Inseln 1304 unterscheiden, wodurch mögliche Probleme mit Moire-Effektstörungen und synchronisierten Überlappungen verhindert werden. Die Isolier punkte 601 und 602 weisen typischerweise einen Abstand von 3 mm auf, wobei die elektrisch leitenden Inseln einen Abstand von 1,3 mm aufweisen.
Der Sensor 1301 weist ebenso, wie die oben beschriebenen Sensoren, daher eine Struktur auf, die ermöglicht, dass er gefaltet werden kann, ohne dass ein elektrisch leitender Pfad zwischen den äußeren elektrisch leitenden Lagen an der Falte erzeugt wird, während gleichzeitig ermöglicht wird, dass eine geeignete kleine extern anliegende Kraft die äußeren Lagen mit der Zentrallage in Kontakt bringt, was dann einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den äußeren zwei Lagen erzeugt.
Ein Sensor 1401 zum separaten Feststellen einer Kraft und Fläche ist in 14 dargestellt. Der Sensor 1401 weist einen Mehrlagenaufbau auf. D.h. es sind zwei Sensoren miteinander kombiniert und zwar ein erster Sensor, der den in 12 dargestellten Aufbau aufweist und im Wesentlichen inkompressible Elemente 1203 verwendet, und ein zweiter Sensor, der die in 11 gekennzeichnete stark kompressible Zentrallage verwendet. Die Lagen 1402 und 1406 sind daher entsprechend der Textillage 201 aufgebaut, die Lage 1404 ist entsprechend der Textillage 202 aufgebaut und die Lage 1403 ist ähnlich wie die Lage 1202 und die Lage 1405 ähnlich wie die Lage 1102 aufgebaut. Wenn ein Druck auf den Sensor ausgeübt wird, tritt eine untere äußere Lage 1402 mit einer ersten inneren Lage 1403 in Kontakt. Die erste innere Lage 1403 tritt mit einer Lage 1404 in Kontakt. Eine stark kompressible Schicht 1405 bildet die nächste Lage und eine äußere Lage 1406 bildet die letzte Ebene des Aufbaus. Elektrische Signale können an den Lagen 1402, 1404 und 1406 angelegt werden, um die Wirkung von mechanischen Interaktionen mit den teilweise elektrisch leitenden Lagen 1403 und 1405 festzustellen. Die Lagen 1402, 1404 und 1406 sind ähnlich wie die Lagen 201 und 202 aufgebaut und sind derart ausgerichtet, dass die Kontaktabschnitte der Lage 1406 sich parallel zu denen der Lage 1402 erstrecken und sich rechtwinklig zu denen der Lage 1404 erstrecken. Durch Verwenden dieses Aufbaus werden die Eigenschaften zweier Detektoren miteinander kombiniert. Aus einer ersten Messreihe, bezüglich der Lagen 1402, 1403 und 1404 kann eine Fläche des anliegenden Drucks bestimmt werden. Eine zweite Messreihe bezüglich der Lagen 1404, 1405 und 1406 bestimmt einen Wert, der sich auf das Produkt aus Kraft und der Fläche bezieht. (Die zwei Gruppen von Messungen sind ähn lich denen der oben beschriebenen Sensoren und werden nachfolgend beschrieben.) Die ausgeübte Kraft kann dann durch Dividieren einer zweiten Ablesung durch eine erste Ablesung bestimmt werden. Ablesungen, die sich auf die Kraft und die Fläche beziehen, werden unabhängig erzielt, wodurch auch eine Berechnung des Drucks, der Kraft geteilt durch Fläche ist, entlang der X- und Y-Koordinaten, die wie unten unter Bezugnahme auf 15A–D, 16–20 erzielt wurde, ermöglicht wird.
Ein Verfahren zum Messen der Position einer Kraft, die an einem Positionssensor des Typs, der oben beschrieben ist, und eine zweite Eigenschaft dieser Kraft sind in den 15A, 15B, 15C und 15D dargestellt. Die äußeren elektrisch leitenden Lagen des gleichen Typs, wie die Lagen 201 und 202, sind schematisch durch Potentiometer 1501 und 1502 dargestellt und der Widerstand des elektrisch leitenden Pfads zwischen den äußeren Lagen an der Position der anliegenden Kraft ist durch einen variablen Widerstand 1503 dargestellt.
Eine erste Messung ist in 15A dargestellt. Fünf Volt werden an den Verbinder 211 angelegt, während der Verbinder 212 unverbunden bleibt. Der Verbinder 207 ist über einen Widerstand 1504 mit bekanntem Wert mit der Erdung verbunden. Ein Strom fließt daher von dem Verbinder 211 durch einen ersten Abschnitt der Lage 202, der durch einen ersten Abschnitt 1505 des Potentiometers 1502 dargestellt ist, durch den elektrisch leitenden Pfad, der durch den variablen Widerstand 1503, der den Widerstand Rv aufweist, gekennzeichnet ist, durch einen ersten Abschnitt der Lage 201, der durch einen ersten Abschnitt 1506 des Potentiometers 1501 gekennzeichnet ist, und durch den bekannten Widerstand 1504. Die Spannung V1, die an dem Verbinder 207 auftritt, wird gemessen und, da diese gleich dem Spannungsverlust über den Widerstand 1504 ist, ist die Spannung V1 direkt proportional zu dem Strom, der von dem Verbinder 211 fließt.
Eine zweite Messung ist in 15B dargestellt. Fünf Volt liegen an dem Verbinder 206 an, während der Verbinder 207 getrennt ist. Ein Verbinder 212 ist über einen Widerstand 1507 mit bekanntem Widerstand mit der Erdung verbunden. Die Spannung V2, die über den Widerstand 1507 abfällt, wird gemessen. Die Spannung V2 ist direkt proportional zu dem Strom, der durch einen zweiten Abschnitt der Lage 201 fließt, die durch einen zweiten Abschnitt 1508 des Potentiometers 1501 gekennzeichnet ist, durch den elektrisch leitenden Pfad, der durch den variablen Widerstand 1503, der den Widerstand Rv aufweist, gekennzeichnet ist, durch einen zweiten Abschnitt der Lage 202, der durch einen zweiten Abschnitt 1509 des Potentiometers 1502 gekennzeichnet ist, und durch den Widerstand 1507 fließt.
Die Summe des Widerstands des ersten Abschnitts 1506 und des zweiten Abschnitts 1508 des Potentiometers 1501 ist ungefähr gleich dem Widerstand zwischen den Verbindern 206 und 207 an der Lage 201 und ist daher während der Messungen im Wesentlichen konstant, da sie in schneller Folge auftreten. Ähnlich ist die Summe des Widerstands des ersten Abschnitts 1505 und des zweiten Abschnitts 1509 des Potentiometers 1502 ungefähr gleich dem Widerstand zwischen den Verbindern 211 und 212 der Lage 202 und ist ferner während der Messungen im Wesentlichen konstant. Folglich besteht daher zwischen dem Widerstand Rv des elektrisch leitenden Pfads zwischen den äußeren Lagen und den gemessenen Spannungen V1 und V2 die Beziehung 1510, d.h. der Widerstand Rv zwischen den äußeren Lagen ist proportional zur Summe des Kehrwerts der Spannung V1 und des Kehrwerts der Spannung V2.
Abhängig von dem Typ des Sensors, der verwendet ist, ist der Widerstand Rv von der Fläche des anliegenden Drucks oder einer Funktion von Fläche und Kraft, wie durch die Beziehung 1511 dargestellt, abhängig. Aus den Spannungsmessungen V1 und V2 kann daher ein Indikator für die Fläche, über die die Kraft anliegt, oder ein Indikator für die Fläche und die anliegende Kraft bestimmt werden.
Eine dritte Messung ist in 15C dargestellt. Fünf Volt liegen an dem Verbinder 212 an, während der Verbinder 211 geerdet ist und so ein Potentialgradient über die Lage 202 erzeugt wird. Eine Spannungsmessung wird an dem Verbinder 207, der eine Vorrichtung mit hohem Scheinwiderstand verwendet, ausgeführt, wodurch die Spannung, die an der Lage 202 an der Position der anliegenden Kraft auftritt, bestimmt wird. Diese Spannung V3 ist direkt proportional zu dem Abstand des Mittelpunkts der anliegenden Kraft zu dem Kontaktabschnitt 218 und kennzeichnet deren X-Achsen-Position.
Eine vierte Messung ist in 15D dargestellt. Fünf Volt liegen an dem Verbinder 207 an und der Verbinder 206 ist geerdet. Eine Spannungsmessung wird bezüglich der Spannung V4, die an dem Verbinder 212 auftritt, ausgeführt. Die Spannung V4 ist direkt proportional zu dem Abstand des Mittelpunkts der anliegenden Kraft zu dem Kontaktabschnitt 216 und kennzeichnet deren Y-Achsen-Position. Die Spannungen V3 und V4 stellen daher Informationen über die zweidimensionale Position der anliegenden Kraft an dem Sensor bereit, d.h. die Spannungen V3 und V4 repräsentieren die X- und Y-Werte für den Mittelpunkt der Position der anliegenden Kraft.
Der Schnittstellenschaltkreis 103 von 1 ist in dem Schaltkreisdiagramm von 16 dargestellt. Der Schnittstellenschaltkreis leitet die notwendigen Spannungen an die Verbinder 206, 207, 211 und 212 und misst die Spannungen V1, V2, V3 und V4, wie bezüglich 15 detailliert beschrieben. Der Schnittstellenschaltkreis stellt ferner Ausgabewerte an einer seriellen Kommunikationsausgabe 1601 bereit, die Werte umfassen, die der XY-(zwei dimensionalen) Position der mechanischen Interaktion an dem Sensor entsprechen, und einen Z-Wert bereit, der von der Fläche der mechanischen Interaktion oder der Fläche und der Kraft der mechanischen Interaktion abhängt.
Beim Entwickeln eines Schnittstellenschaltkreises werden die Widerstände 1504 und 1507 entsprechend dem Widerstand des Sensors ausgewählt, der zwischen einem Verbinder an der Lage 201 und einem weiteren Verbinder an der Lage 202 gemessen wird, während ein typischer Zieldruck am Sensor anliegt. Ein Wert von 10 K-Ohm ist typisch für die Widerstände 1504 und 1507.
Das Messverfahren wird durch ein Programm, das in einer peripheren Schnittstellensteuerung (PIC) 1602 des Typs PIC16C711 abläuft, geregelt. Zusätzlich zu der Funktion der Zuleitung der notwendigen Ausgabespannungen an die Stifte 1, 2, 10, 11, 12 und 13 umfasst die PIC 1602 einen Analog-zu-Digital-Wandler, den sie verwendet, um analoge Spannungen, die an den Eingangsstiften 17 und 18 empfangen wurden, zu verarbeiten. Die Eingangsstifte 17 und 17 empfangen jeweils Ausgaben des Puffers mit hoher Impedanz 1603 und 1604. Die Puffer 1603 und 1604 sind Operationsverstärker mit Verstärkungsfaktor 0,5 des Typs TL062 und stellen einen Puffer mit hoher Impedanz zwischen den Sensorausgabespannungen und den Eingabekanälen der PIC 1602 bereit.
Die PIC 1602 weist einen externen Kristalloszillator (nicht dargestellt) auf, der mit 4 MHz betrieben wird und über die Stifte 15 und 16 verbunden ist. Positive fünf Volt werden an den Stift 14 angelegt und die Erdung ist mit dem Stift 5 verbunden. Der Stift 4 (der interne Reset-Eingang) wird auf positive fünf Volt über einen Serienwiderstand von 100 Ohm gehalten.
Das Programm, das in dem peripheren Schnittstellenschaltkreis von 16 abläuft, ist in dem Flussdiagramm von 17 dargestellt. Im Schritt 1701 wird die Hardware initialisiert und dieser Vorgang wird unter Bezugnahme auf 18 nachfolgend detailliert beschrieben. Im Schritt 1702 misst der Schaltkreis 103 die Spannungen V1 und V2 und berechnet den Z-Wert der Interaktion. Die Details des Schritts 1702 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 19 beschrieben. Im Schritt 1703 wird gefragt, ob der Z-Wert größer als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn die Antwort auf die Frage nein ist, dann kehrt das Programm zum Schritt 1702 zurück. Der Schaltkreis misst folglich die Z-Werte bis ein Z-Wert größer als ein vorbestimmter Wert festgestellt wird. Wenn die Antwort auf die Frage im Schritt 1703 ja ist, dann misst der Schaltkreis die Spannungen V1, V2, V3 und V4 and berechnet die Z-Werte im Schritt 1704. Der Schritt 1704 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 20 detaillierter beschrieben. Im Schritt 1705 wird gefragt, ob der berechnete Z-Wert weiterhin größer als der vorbestimmte Wert ist. Wenn die Frage bejahend beantwortet wird, wird weiter im Schritt 1706 gefragt, ob genug Proben erzielt wurden. Zwischen 3 und 10 Proben werden herkömmlicherweise ausgeführt, wobei eine niedrigere Anzahl an Proben ausgeführt wird, wenn eine schnelle Antwortzeit notwendig ist. Wenn die Antwort auf die Frage im Schritt 1706 nein ist, dann kehrt das Programm zum Schritt 1704 zurück und eine weitere Messung wird ausgeführt. Wenn die Antwort auf die Frage im Schritt 1706 ja ist oder wenn die Antwort auf die Frage im Schritt 1705 nein ist, dann berechnet das Programm die durchschnittlichen Werte der Messwerte der Spannungen V3 und V4 und der Z-Werte, die gesammelt wurden. Das Programm misst daher eine vorbestimmte Anzahl von Spannungen, bevor die durchschnittlichen Werte berechnet werden, oder wenn der Z-Wert unter einen vorbestimmten Wert fällt, werden die durchschnittlichen Werte sofort berechnet. Durch Verwenden des durchschnittlichen Werts der Anzahl von Messungen kann die Wirkung der elektromagnetischen Störungen des Netzstroms oder anderer Umgebungsstörungen verringert werden.
Eine einfache Berechnung zur Auffindung eines „durchschnittlichen" Werts beispielsweise für den X-Wert ist, den durchschnittlichen Wert der maximalen und der minimalen Werte der gespeicherten Werte V3 zu finden, d.h. einen „geglätteten" Wert für X durch Addieren des maximalen gespeicherten Werts für V3 zu dem minimalen gespeicherten Wert für V3 und Teilen des Ergebnisses durch zwei.
Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, werden die Werte für X, Y und Z, die sich um einen großen Betrag von ihren direkt vorhergehenden und direkt nachfolgenden Werten unterscheiden, von den Berechnungen des durchschnittlichen Werts ausgeschlossen. Bekannte Verfahren zum Eliminieren von Netzwerkstromversorgungsstörungen können ferner bei den Signalen, die von dem Sensor empfangen werden, angewendet werden.
Im Schritt 1708 repräsentieren die durchschnittlichen Werte für V3 und V4 die XY-Positionskoordinaten und die durchschnittlichen Werte der Z-Daten werden an der seriellen Kommunikationsausgabe 1601 ausgegeben. Das Programm kehrt dann zum Schritt 1702 zurück und sucht nach einem Indikator für eine weitere mechanische Interaktion.
Der Schritt 1701 von 17 ist in 18 detaillierter dargestellt. Beim Initialisierungsschritt 1701 werden im Schritt 1801 die Unterbrechungen gelöscht und dann im Schritt 1802 die Stifte 17 und 18 als Analog-zu-Digital-Konvertierungseingaben festgelegt. Die Mikrokanäle einer PIC16C711 können als Ausgaben mit niedriger Impedanz oder als Eingaben mit hoher Impedanz konfiguriert werden. Im Eingabemodus mit hoher Impedanz können die Stifte 17 und 18 derart programmiert werden, dass sie mit dem Analog-zu-Digital-Wandler über einen internen Multiplexer verbunden sind. Im Schritt 1803 werden die Kanäle, die als Eingang und Ausgang verwendet werden, in ihrem anfänglichen Zustand konfiguriert. Im Schritt 1804 werden alle Systemvariablen gelöscht und alle Unterbrechungen deaktiviert.
Der Schritt 1702 von 17 ist in 19 detaillierter dargestellt. Bei dem Schritt 1702 werden im Schritt 1901 die Kanäle, die den Stiften 2 und 10 entsprechen, wieder als Ausgabekanäle konfiguriert und im Schritt 1902 wird der Stift 2 auf null geschaltet, während der Stift 10 auf positive fünf Volt gesetzt wird. Der Verbinder 207 ist daher über einen Widerstand 1504 geerdet und fünf Volt an den Verbinder 211 geleitet. Im Schritt 1903 ist eine Zeitverzögerung (herkömmlicherweise von 250 Mikrosekunden bei einem Sensor, der 100 mm mal 100 mm mit einem äußeren Lagenwiderstand von 3,5 K-Ohm misst) vorgesehen, damit sich die Spannungen auspegeln können, bevor die Spannung an dem Stift 17 gemessen und gespeichert wird. Die Spannung V1, die an dem Verbinder 207 anliegt, wird derart gemessen und gespeichert.
Im Schritt 1905 werden die Stifte 2 und 10 wieder als Eingänge mit hoher Impedanz konfiguriert, während die Stifte 1 und 12 wieder als Ausgänge mit niedriger Impedanz konfiguriert werden. Im Schritt 1906. werden die Spannungen an den Stiften 1 und 12 auf null und auf positive fünf Volt geschaltet. Der Verbinder 212 ist daher über den Widerstand 1507 geerdet, während fünf Volt an den Verbinder 206 geleitet werden. Eine geeignete Zeitverzögerung, die gleich der im Schritt 1903 ist, wird im Schritt 1907 bereitgestellt, bevor die Spannung am Stift 18 gemessen und im Schritt 1908 gespeichert wird. Die Spannung, die an dem Verbinder 212 anliegt, wird daher gemessen und als Spannung V2 gespeichert. Im Schritt 1909 wird ein Z-Wert aus den gespeicherten Spannungen V1 und V2 berechnet und dann gespeichert. Die Stifte 1 und 12 werden wieder zurück zu ihrem anfänglichen Zustand als Eingänge mit hoher Impedanz im Schritt 1910 konfiguriert.
Der Schritt 1704 von 17 ist in 20 detaillierter dargestellt. Bei dem Schritt 1704 wird im Schritt 2001 ein Z-Wert in der gleichen Weise wie im Schritt 1702 bestimmt. Im Schritt 2002 werden die Stifte 1 und 2 wieder als Eingänge mit hoher Impedanz und die Stifte 10 und 11 als Ausgänge mit niedriger Impedanz konfiguriert. Im Schritt 2003 wird der Stift 10 auf null Volt gesetzt und der Stift 11 wird auf positive fünf Volt. Fünf Volt werden daher an den Verbinder 212 geleitet, während der Verbinder 211 geerdet ist. Eine Verzögerung wird dann im Schritt 2004 (herkömmlicherweise 1 ms für eine Vorrichtung, die 100 mm mal 100 mm misst) vorgesehen, um zu ermöglichen, dass sich die Spannungen im Sensor ausgleichen können, bevor die Spannung am Stift 17 im Schritt 2005 gemessen wird. Gemessen wird folglich eine an dem Verbinder 207 anliegende Spannung V3, die ein Indikator für die X-Position der anliegenden Kraft ist.
Die Stifte 10 und 11 werden dann zurück als Eingänge mit hoher Impedanz und die Stifte 12 und 13 als Ausgänge mit niedriger Impedanz im Schritt 2006 konfiguriert. Die Spannung am Stift 12 wird dann auf null gesetzt, während die Spannung am Stift 13 auf fünf Volt im Schritt 2007 geschaltet wird. Fünf Volt werden daher an den Verbinder 207 geleitet, während der Verbinder 206 geerdet ist. Eine Zeitverzögerung ist im Schritt 2008 ähnlich wie im Schritt 2004 vorgesehen, bevor die Spannung, die an dem Stift 18 anliegt, im Schritt 2009 gemessen wird. Es wird daher eine an dem Verbinder 212 anliegende Spannung V4 gemessen, die ein Indikator für die Y-Position der anliegenden Kraft ist. Die Stifte 12 und 13 werden dann zurück in ihren anfänglichen Zustand als Eingänge mit hoher Impedanz konfiguriert.
Durch das Verfahren, das unter Bezugnahme auf 17 bis 20 beschrieben ist, kann der Schnittstellenschaltkreis Spannungsmessungen V3 und V4 ausführen, die einen Indikator für die Position der Kraft, die an einem Textilsensor anliegt, bereitstellen und die Spannungen V1 und V2 messen, die zu dem Strom, der durch den Sensor fließt, proportional sind, und stellen Informationen über eine zweite Eigenschaft der anliegenden Kraft bereit. Die zweite Eigenschaft kann eine Fläche, über der die Kraft anliegt, oder eine Kombination der Größe aus Kraft und Fläche sein. Der Schaltkreis kombiniert ferner die Spannungen V1 und V2, um einen Z-Wert zu bestimmen, der für die zweite Eigenschaft repräsentativ ist.
Der Schaltkreis 103 stellt Ausgabedaten bereit, die die X- und Y-Position der anliegenden Kraft und den Z-Wert repräsentieren. Bei einer alternativen Ausführungsform stellt der Schnittstellenschaltkreis Ausgabedaten bereit, die den gemessenen Spannungen V1, V2, V3 und V4 entsprechen.

Claims

Positionssensor zum Bestimmen der Position einer mechanischen Interaktion umfassend eine erste Textillage (201), die darin eingearbeitete elektrisch leitende Fasern aufweist, um eine erste elektrisch leitende äußere Lage, die in allen Richtungen entlang der Lage leitfähig ist, vorzusehen, einen ersten Verbinder (206), der eine elektrisch leitende Verbindung zu der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage bereitstellt, um eine erste elektrische Spannung anlegen zu können, einen zweiten Verbinder (207), der eine elektrisch leitende Verbindung zu der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage bereitstellt, um das Anlegen einer zweiten elektrische Spannung zu erlauben, eine zweite Textillage (202), die darin eingearbeitete elektrisch leitende Fasern aufweist, um eine zweite elektrisch leitende äußere Lage, die in allen Richtungen entlang der Lage leitfähig ist, vorzusehen, einen dritten Verbinder (211), der eine elektrisch leitende Verbindung zu der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage bereitstellt, um eine elektrische Spannung an der zweiten Lage messen zu können, eine Zentrallage (203), die zwischen der ersten äußeren Lage und der zweiten Lage angeordnet ist, wobei die Zentrallage Leitmittel umfasst, ein erstes isolierendes Trennmittel (204), das zwischen der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage und dem Leitmittel angeordnet ist, und ein zweites isolierendes Trennmittel (205), das zwischen der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage und dem Leitmittel angeordnet ist, wobei das Leitmittel einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage und der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage an der Position einer mechanischen Interaktion bereitstellt.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei das erste Isoliermittel eine erste separate Isolierlage und das zweite Isoliermittel eine zweite separate Isolierlage umfasst.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei das erste Isoliermittel Isolierfasern umfasst, die in der ersten Textillage enthalten sind, und das zweite Isoliermittel Isolierfasern umfasst, die in der zweiten Textillage enthalten sind.
Positionssensor gemäß Anspruch 3, wobei die Isolierfasern Garne (704) mit einem größeren durchschnittlichen Durchmesser als die elektrisch leitenden Fasern (705) bilden.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei das erste und zweite Isoliermittel Isolierfasern (904) aufweisen, die in der Zentrallage enthalten sind, und wobei das Leitmittel elektrisch leitende Fasern (905) umfasst.
Positionssensor gemäß Anspruch 5, wobei die Isolierfasern einen größeren durchschnittlichen Durchmesser als die elektrisch leitenden Fasern des Leitmittels aufweisen.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Isoliermittel Isolierfasern aufweisen, die in der Zentrallage enthalten sind, und wobei das Leitmittel eine Mehrzahl von Leitelementen (803) umfasst.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei die Zentrallage eine Kompressibilität aufweist, die von der der äußeren Textillagen abweicht.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei die Leitfähigkeit der äußeren Lagen anisotrop ist.
Positionssensor gemäß Anspruch 9, wobei die äußeren Textillagen Isolierfasern umfassen und die anisotrope Leitfähigkeit durch das Verhältnis von elektrisch leitenden Fasern zu Isolierfasern definiert ist.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei der elektrische Widerstand zwischen den elektrisch leitenden äußeren Lagen ein Indikator für den Druck, der auf den Positionssensor bei einer mechanischen Interaktion einwirkt, ist.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei der elektrische Widerstand zwischen den elektrisch leitenden äußeren Lagen ein Indikator für die Größe einer Fläche des Positionssensors, an der eine mechanische Interaktion wirkt, ist.
Positionssensor gemäß Anspruch 1, wobei der Positionssensor elektrische Verbindungen nur zu der ersten und der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage aufweist.
Verfahren zum Bestimmen der Position einer mechanischen Interaktion folgende Schritte umfassend (i) Bereitstellen eines Positionssensors, der eine erste Textillage mit darin eingearbeiteten elektrisch leitenden Fasern aufweist, um eine erste elektrisch leitende äußere Lage, die in allen Richtungen entlang der Lage leitfähig ist, vorzusehen, eine zweite Textillage mit darin eingearbeiteten elektrisch leitenden Fasern aufweist, um eine zweite elektrisch leitende äußere Lage, die in allen Richtungen entlang der Lage leitfähig ist, vorzusehen, eine Zentrallage, die zwischen der ersten äußeren Lage und der zweiten äußeren Lage angeordnet ist und ein Leitmittel umfasst, ein erstes isolierendes Trennmittel aufweist, das zwischen der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage und dem zweiten Leitmittel angeordnet ist, und ein zweites isolierendes Trennmittel aufweist, das zwischen der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage und dem Leitmittel angeordnet ist, (ii) Anlegen einer ersten elektrischen Spannung an einem ersten Verbinder (206) an der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage, (iii) Anlegen einer zweiten elektrischen Spannung an einem zweiten Verbinder (206) an der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage, und (iv) Messen einer elektrischen Spannung an einem dritten Verbinder (211) an der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage, um die Position eines elektrisch leitenden Pfads zu ermitteln, der durch das Leitmittel zwischen der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage und der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage an der Position der mechanischen Interaktion bereitgestellt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Vorsehens einer anisotropen Leitfähigkeit in den äußeren Lagen.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Vorsehens von Isolierbereichen aus Klebstoff mit Freiräumen zwischen diesen, um die Baugruppe zusammenzuhalten und um Isoliermittel vorzusehen.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Versehens der äußeren Lagen mit Isoliergarnen, die einen Durchmesser aufweisen, der derartig größer ist als der der elektrisch leitenden Fasern, dass die Funktion der Isolierlage durch die Isoliergarne der äußeren elektrisch leitenden Lagen bereitgestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens von elektrisch leitenden Fasern der Zentrallage derartig, dass sie zu elektrisch leitenden Inseln, die durch Bereiche mit wesentlich höherem Widerstand voneinander getrennt sind, gruppiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens der Isolierfunktion mittels der Zentrallage, wozu das Garn der Zentrallage eine elektrisch leitende Faser und Isolierfasern aufweist, und wobei die elektrisch leitende Faser von der Außenkontur der Isolierfasern zurückversetzt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens von Isoliermitteln mittels der Zentrallage, die Isolierfasern umfasst, die um eine elektrisch leitende Faser, die einen relativ größeren Durchmesser aufweist, derart gewickelt sind, dass die Außenkontur des resultierenden Garns die Isoliermittel bereitstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens der Funktion des isolierenden Trennmittels durch die Zentrallage, die elektrisch leitende und nicht leitende Elemente derart aufweist, dass bei normaler Konfiguration die Leitelemente derart voneinander getrennt sind, dass die Leitung zwischen den äußeren Lagen nicht möglich ist und wobei die Leitung durch Anlegen einer Druckkraft ermöglicht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens einer Zentrallage, die aus einem elastischen Polymerwerkstoff mit darin eingebetteten elektrisch leitenden Fasern aufgebaut ist, wobei der elastische Polymerwerkstoff die Isolierfunktion der isolierenden Trennmittel bereitstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens eines im Wesentlichen inkompressiblen Werkstoffs, der zwischen dem Isolierwerkstoff der Zentrallage angeordnet ist, wodurch ein Detektor, der insbesondere an der Fläche der Interaktion sensibel reagiert, erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens einer zentralen elektrisch leitenden Lage, um eine im Wesentlichen offene Gewebestruktur aufzuweisen, in die ein elektrisch leitender Klebstoff oder eine Tinte eingebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 14 umfassend den Schritt des Bereitstellens eines Detektors, der im Wesentlichen flächensensitiv reagiert und ferner neben einem Detektor, der im Wesentlichen flächen- und kraftsensitiv reagiert, angeordnet wird, wobei eine elektrisch leitende Lage eine gemeinsame Lage zwischen den zwei Detektoren bereitstellt.
Positionssensor zum Bestimmen der Position einer anliegenden mechanischen Interaktion, wobei die mechanische Interaktion eine Fläche und eine Kraft aufweist, umfassend eine erste Textillage (201), die darin eingearbeitete elektrisch leitende Fasern aufweist, um eine erste elektrisch leitende äußere Lage vorzusehen, einen ersten Verbinder (206), der eine elektrische Verbindung zu der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage vorsieht, um das Anlegen einer ersten elektrischen Spannung zu ermöglichen, einen zweiten Verbinder (207), der eine elektrische Verbindung zu der ersten elektrisch leitenden äußeren Lage vorsieht, um das Anlegen einer zweiten elektrischen Spannung zu ermöglichen, eine zweite Textillage (202), die darin eingearbeitete elektrisch leitende Fasern aufweist, um eine zweite elektrisch leitende äußere Lage vorzusehen, einen dritten Verbinder (211), der eine elektrische Verbindung zu der zweiten elektrisch leitenden äußeren Lage bereitstellt, um eine elektrische Spannung an der zweiten Lage zu messen, und eine kompressible innere Lage (1002), die zwischen der ersten Textillage und der zweiten Textillage angeordnet ist und eine Vielzahl von elektrisch leitenden Fasern oder Partikeln derart umfasst, dass ein elektrisch leitender Pfad mittels der Fasern oder Partikeln bereitgestellt wird, wenn der Isolierwerkstoff komprimiert wird.
Sensor gemäß Anspruch 26, wobei die innere Lage ein nicht gewebter Stoff ist, der Isolierfasern und kurze elektrische leitende Fasern aufweist, wobei die Länge der elektrisch leitenden Fasern geringer als die Dicke der inneren Lage ist.
Sensor gemäß Anspruch 26, wobei die elektrisch leitenden Fasern oder Partikel innerhalb eines im Wesentlichen endlosen Isoliermaterials, beispielsweise eines Silikonkautschukverbundmaterials, gehalten sind.
Sensor gemäß einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die Leitfähigkeit wenigstens einer der Textillagen anisotrop ist.
Sensor gemäß Anspruch 29, wobei die anisotrope Stofflage unter Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Kettfasern und die Schussfasern der Gewebelage hergestellt wird.
Sensor gemäß Anspruch 29, der aus Kettfasern und Schussfasern ähnlicher Fasern hergestellt ist, wobei das Verhältnis von elektrisch leitenden zu nicht leitenden Fasern in der Schussrichtung sich von dem Verhältnis der elektrisch leitenden zu den nicht leitenden Fasern in der Kettrichtung unterscheidet.