DE69126540T2

DE69126540T2 - Kraftwandler

Info

Publication number: DE69126540T2
Application number: DE69126540T
Authority: DE
Inventors: Allen R. Salt Lake City Ut 84105 Grahn
Original assignee: Bonneville Scientific Inc
Current assignee: Bonneville Scientific Inc
Priority date: 1991-01-04
Filing date: 1991-08-29
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2011-08-30
Also published as: JPH06507010A; EP0565527A1; WO1992012407A1; CA2099673C; DE69126540D1; JP3083844B2; US5209126A; EP0565527B1; AU8718091A; CA2099673A1; EP0565527A4

Description

Die vorliegende Erfindung wurde mit Unterstützung der amerikanischen Bundesregierung im Auftrag des Ministeriums für Energie (SBIR, 1. Phase, Vertrag Nr. DE-AC02-85ER80291)und im Auftrag der US Luftwaffe (SBIR, 1. Phase, Vertrag Nr. F41622-89-C-1027) verwirklicht. Die Bundesregierung der Vereinigten Staaten von Amerika hat gewisse Rechte bezüglich dieser Erfindung.
In vielen industriellen, medizinischen, wissenschaftlichen und anderen Anwendungen ist es erforderlich, angemessene, vielseitige, zuverlässige und preiswerte Meßsysteme zur Verfügung zu haben um verschiedene wünschenswerte Aufgaben zu bewerkstelligen. Zum Beispiel finden Kraftsensoren Anwendung beim Messen der Kräfteverteilung in der Fußsohle. Kräfteverteilungen im Fuß können benutzt werden um Fortschritte beim Sporttraining, Sportverletzungen, erhöhte Druckstellen auf Grund einer diabetischen Neuropathie, sowie Fußstörungen zu analysieren.
Bei der wissenschaftlichen Studie geübter Manipulation mit mechanischen Händen, sind Kräftesensoren an den Fingern und in der Handfläche wichtig um die Lage und Größenordnung der Kontaktkräfte anzuzeigen. Kräftesensoren, welche zur Anzeige der Kräfteverteilung in mechanischen Händen benutzt werden, werden üblicherweise als tastende Sensoren bezeichnet. Auf dem Gebiet der lndustrierobotik, existiert nunmehr Technologie, welche die Konstruktion von Robotern gestattet, die in der Lage sind auf die Kräfteinformation, die von den tastenden Sensoren übermittelt wird, entsprechend zu reagieren. Tastende Sensoren produzieren oft unzuverlässige Messungen und sind nicht so solide gebaut. Tastende Sensoren können andere Robotersysteme ergänzen, indem sie den Roboter zu dem Zeitpunkt kontrollieren, zu welchem der Kontakt zwischen der Roboterhand and dem angefaßten Objekt erfolgt. Zuverlässige und vielseitige tastende Sensoren erlauben es dem Roboter auf eine Art und Weise zu funktionieren, die vergleichbar ist wie eine Person ein Objekt anfühlt. Dies gestattet es einem Roboter Aufgaben durchzuführen wie zum Beispiel das Plazieren von Teilen an spezifischen Stellen.
Eine Art von Kraftsensor benutzt einen Ultraschallwandler mit einem verformbaren Medium um die Kräftekomponenten zu bestimmen. (Siehe hierzu US Patent Nr. 4,964,302 mit dem Titel "Sensor", welches am 23. Oktober, 1990 erteilt wurde). Ein Ultraschallwandler, welcher ein Signal sowohl überträgt als auch erfaßt, wird dazu verwendet ein Signal durch ein verformbares Medium zu übertragen und das Echo des Signals an der Vorderseite des verformbaren Mediums zu erfassen. Wenn eine Kraft auf das verformbare Medium aufgebracht wird, verändert sich die Entfernung welche das Signal durchlaufen muß. Das Zeitinterval zwischen der Erzeugung des Signals und der Erfassung des Echos wird dazu benutzt die aufgebrachte Kraft zu ermitteln.
Eine andere Art von Kraftsensor benutzt einen Ultraschallwandler gemeinsam mit einem verformbaren Medium um die Drehkraftkomponenten zu bestimmen. (Siehe hierzu US Patent Nr. 4,704,909 mit dem Titel "Multikomponenten Drehkraftsensor", welches am 10. November 1987 erteilt wurde). Eine Vielzahl von Signalerzeugern erzeugt eine Vielzahl von Signalen, welche durch ein verformbares Medium übertragen werden und deren Echos an der Vorderseite des belasteten Mediums mit Hilfe einer Vielzahl von Signalempfängern erfaßt werden. Das Zeitinterval zwischen Erzeugung und Erfassung der Signale wird dazu verwendet eine Vielzahl von Drehkraftkomponenten zu bestimmen. Eine ähnliche Struktur und Schaltbild werden in dem US Patent Nr 4,634,917 beschrieben.
Die vorausgegangene "Sensor" Erfindung benutzt das Schalten von Kreuzungspunkten, wie in Abbildung 1 dargestellt (zeigt eine 3 x 3 Anordnung), um eine Kraft, welche senkrecht zur Oberfläche des Sensors aufgebracht wurde, zu erfassen und zu quantifizieren. Beim Schalten von Kreuzungspunkten überträgt und erfaßt ein Ultraschallwandler ein Signal. Konventionelle Kraftsensoranordnungen erfordern möglicherweise ein Kabel für jedes Sensorelement in der Sensorengruppe. Je größer die Anzahl der Sensorelemente ist, umso größer ist die Anzahl der erforderlichen Kabel. Das Schalten von Kreuzungspunkten erlaubt es, die Anzahl der extern verlaufenden Kabel zu reduzieren. Eine Anordnung, welche das Schalten von Kreuzungspunkten verwendet, mit Sensorelementen in n - Reihen und m - Spalten hat möglicherweise n + m Kabel, verglichen mit einem Kabel für jedes Sensorelement (d.h. n x m Kabel). In der Praxis hat sich gezeigt, daß das Schalten mit Kreuzungspunkten nur für Anordnungen mit einer kleinen Anzahl von Reihen und Spalten praktisch ist. In Abbildung 1 wählt ein Reihenselektor 80 eine Reihe aus den Reihen 83 und ein Spaltenselektor 81 wählt eine Spalte aus den Spalten 84. Der kapazitive Widerstand zwischen benachbarten Reihen und Spalten sowie der kapazitive Widerstand zur Erdung durch die Sensorelektronik verursacht eine ungewollte kapazitive Kopplung der Erregungsspannung mit anderen als nur dem gewählten Sensorelement. Solch eine ungewollte kapazitive Kopplung erzeugt ein Signal mit einer reduzierten Amplitude des ausgewählten Sensorelementes und irrtümliche Signale von ungewählten Sensorelementen.
In ähnlicher Weise ist das Echosignal ebenfalls ungewollt mit mehr als einem Sensorelement gekoppelt. Nachdem das Signal des ausgewählten Sensorelementes und die irrtümlichen, ungewollt gekoppelten Signale erzeugt worden sind, werden sie von der Oberfläche des tastenden Sensors reflektiert. Die irrtümlichen Signale erzeugen ein starkes Echo, welches das geringere Echo des gewählten Sensorelementes maskieren kann. Um das gewünschte Echo herauszufiltern sind ausgedehnte mathematische Berechnungen jedes Sensorelementsignals erforderlich um es von dem Effekt der benachbarten Elemente zu isolieren. Dieser schädliche Effekt wird mit zunehmender Anzahl von Reihen und Spalten immer größer.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Apparat und einem Prozeß, welcher eine Kreuzungsfeldschaltung , wie in Abbildung 2 dargestellt, benutzt. In Kreuzungsfeldschaltungen, sind die Signalerzeugungs (Erregungs)-einrichtung and Signalempfangseinrichtung elektrisch voneinander isoliert. Kreuzungsfeldschaltungen gestatten es auch die Anzahl der externen Kabel zu reduzieren. Eine Anordnung von Sensorelementen in einer Kreuzungsfeldschaltung, welche in n Reihen und m Spalten angeordnet ist, hat n + m Kabel verglichen mit einem Kabel für jedes Sensorelement d.h. n x m Kabel). In Abbildung 2 wählt der Reihenselektor 85 eine Reihe aus den Reihen 87 und der Spaltenselektor 86 wählt eine Spalte aus den Spalten 88. Solch eine Kreuzungsfeldschaltung ist in US Patent Nr 4,839,512 ausführlich beschrieben.
Dieses Dokument beschreibt jedoch eine alternative Meßeinrichtung, die auf einer Messung der übertragenen/reflektierten Energie oder Intensität basiert.
Die vorliegende Erfindung benutzt eine Kreuzungsfeldschaltung statt einer Kreuzungspunktschaltung. Eine Kreuzungsfeldschaltung kann Sensorelemente, die in Reihen und Spalten angeordnet sind, benutzen. Die Signalerzeugungs- und Signalempfangseinrichtungen können zum Beispiel elektrisch isolierte Ultraschallwandler sein. Indem man eine bestimmte Reihe der Signalerzeugungseinrichtung aktiviert und das Signal einer bestimmten Spalte der Signalempfangseinrichtung empfängt, werden Signale nur von Objekten empfangen, die direkt über der Kreuzfeldschnittstelle liegen, welche der überlappende Signalerzeugungsbereich und Signalempfangsbereich gemeinsam teilen. Solch eine Kreuzungsfeldschaltung vermeidet das Problem in störender Weise zusätzliche Sensorelemente mit dem übertragenen Signal zu erregen. Außerdem vermeidet die Kreuzungsfeldschaltung das Problem eines ungewollten Koppelns des empfangenen Signals innerhalb der Sensorelemente.
Da die Erregungs- und Empfangselektronik einer Kreuzungsfeldschaltung, wie in Abbildung 2 dargestellt, elektrisch isoliert ist, können Echos früher entdeckt werden und gestatten daher die Verwendung eines dünneren verformbaren Mediums. Die getrennte Erzeugung und Empfang eines Signals gestattet eine schnellere Reaktionszeit, da das Empfangsteil nicht während der Aktivierung der Signalerzeugungseinrichtung überlastet ist. Andere Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung deutlich.
Der Kraftsensor der vorliegenden Erfindung besitzt ein verformbares Medium mit einer Kontaktoberfläche, auf welche eine Kraft aufgebracht werden kann. Die mechanischen Eigenschaften sowie Schallgeschwindigkeit des verformbaren Mediums sollten bekannt sein. Das verformbare Medium kann ein elastomerisches Material wie zum Beispiel Gummi sein.
Vorzugsweise besteht das verformbare Medium aus einem elastomerischen, beständigen Material, wie zum Beispiel Urethangummi, natürlichem Gummi, Silikongummi, usw. Sobald eine Kraft aufgebracht wird, verändert das verformbare Medium seine Dicke. Das verformbare Medium kann ebenfalls eine Metalschicht besitzen, welche als Kontaktfläche dient und zwischen dem verformbaren Medium und der aufgebrachten Kraft angeordnet ist. Das verformbare Medium kann von beliebiger Größe und Abmessungen sein, welche für die Anwendungen, in denen der Sensor eingesetzt wird, geeignet sind.
Der Kraftsensor schließt weiterhin einen Signalerzeuger ein. Der Signalerzeuger besitzt ein oder mehrere Signalerzeugungsbereiche. Eine Vielzahl von Signalerzeugungsbereichen ist zu bevorzugen. Ein Signalerzeugungsbereich kann von beliebiger Art sein um ein Signal zu erzeugen, welches das verformbare Medium durchläuft und von der Kontaktoberfläche zu einem Signalempfangsbereich reflektiert wird. Vorzugsweise besteht ein Signalerzeugungsbereich aus einem Ultraschallwandler, welcher in der Lage ist ein akustisches Signal zu erzeugen.
Es ist möglich mehrfache Signalerzeugungsschichten zu haben. Signalerzeugungsschichten können gestapelt und/oder zwischengeschichtet sein. Jede Signalerzeugungsschicht hat zumindest einen Signalerzeugungsbereich und vorzugsweise eine Vielzahl von Signalerzeugungsbereichen. Ein Signalerzeugungsbereich in einer Schicht sollte mit einem Signalerzeugungsbereich in jeder der anderen Signalerzeugungsschichten überlappen. Die überlappenden Signalerzeugungsbereiche sind vorzugsweise akustisch hintereinander angeordnet, so daß das zusätzliche Wandlermaterial ein stärkeres akustisches Signal erzeugt.
Der Kraftsensor schließt weiterhin einen Signalempfänger ein. Der Signalempfänger hat einen oder mehrere Signalempfangsbereiche. Eine Vielzahl von Signalempfangsbereichen ist zu bevorzugen. Ein Signalempfangsbereich kann von beliebiger Art sein um ein Signal zu empfangen, welches in einem Signalerzeugungsbereich erzeugt wurde, und ein Kennungssignal als Reaktion hierzu erzeugt. Vorzugsweise besteht ein Signalempfangsbereich aus einem Ultraschallwandler, welcher in der Lage ist ein akustisches Signal zu empfangen und das akustische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, welches erkannt werden kann.
Eine Vielzahl von Signalempfangsschichten ist möglich. Die Signalempfangsschichten können gestapelt und/oder zwischengeschichtet sein. Jede Signalempfangsschicht hat zumindest einen Signalempfangsbereich und vorzugsweise eine Vielzahl von Signalempfangsbereichen. Ein Signalempfangsbereich einer Schicht sollte mit einem Signalempfangsbereich in jeder der anderen Signalempfangsschichten überlappen. Die überlappenden Signalempfangsbereiche sind vorzugsweise akustisch hintereinander angeordnet, so daß das zusätzliche Wandlermaterial einen empfindlicheren Empfänger schafft.
Die Überlappung eines Signalerzeugungsbereiches und eines Signalempfangsbereiches definiert eine Feldüberschneidung. Obgleich der Signalerzeugungsbereich und der Signalempfangsbereich sich nicht im wahrsten Sinne des Wortes überschneiden, wird diese Überlappung für die Beschreibung der Ansprüche als Feldüberschneidung bezeichnet. Vorzugsweise überlappen die Signalerzeugungsbereiche die Signalempfangsbereiche sich in einem rechten Winkel und bilden somit die Feldüberschneidungsstellen.
Die Signalerzeugungsbereiche und die Signalempfangsbereiche können verschiedene Ausführungen von Feldüberschneidungen in der Überlappung bilden. Indem man einen Signalerzeugungsbereich aktiviert um ein Signal zu erzeugen und indem man ein Signal in einem Signalempfangsbereich empfängt, wird eine Feldüberschneidung benutzt und störende Kopplungsprobleme der Kreuzschnittschaltung können vermieden werden. Die getrennte Erzeugung und der Empfang eines Signals erlaubt eine schnellere Reaktionszeit, da die Empfangseinrichtung nicht wieder betriebsbereit sein muß bevor ein Empfang stattfinden kann.
Vorzugsweise schließt der Kraftsensor eine Substratfläche ein, welche beliebiger Art sein kann um das verformbare Medium, den Signalerzeuger und den Signalempfänger abzustützen Das Substrat kann aus einem festen Material sein (wie zum Beispiel Keramik, Stahl, Aluminium, usw) oder aus einem flexiblen Material (wie Kapton) um eine direkte Abstützung vorzusehen
Der Kraftsensor beinhaltet weiterhin eine Erzeugungskontrolleinrichtung um die Signalerzeugungsbereiche auszuwählen und zu aktivieren. Vorzugsweise wird ein Einzelpulserzeuger mittels Schaltern an die gewünschten Signalerzeugungsbereiche angeschlossen. Sobald er angeschlossen ist wird der Pulserzeuger ausgelöst um eine elektrischen Puls zu erzeugen, welcher den ausgewählten Signalerzeugungsbereich aktiviert. In einer alternativen Ausführung ist jeder Signalerzeugungsbereich mit einem getrennten Pulserzeuger verbunden. Um den gewünschten Signalerzeugungsbereich zu erregen, wird der entsprechende Pulserzeuger ausgelöst. Konventionelle analoge und digitale Leitungen können für die Schaltungen und die Pulserzeuger benutzt werden.
Der Kraftsensor schließt weiterhin eine Empfangskontrolleinrichtung ein um Signalempfangsbereiche auszuwählen und Kennungssignale zu entdecken, welche von den Signalerzeugungsbereichen erzeugt wurden. Die Empfangskontrolleinrichtung kann als Schaltung betrieben werden und dekodiert welcher Signalempfangsbereich zum Empfang auszuwählen ist. Vorzugsweise wird ein einzelner Signaldetektor durch Schaltungen mit dem gewünschten Signalempfangsbereich verbunden. In alternativen Ausführungen können getrennte Signaldetektoren mit jedem Signalempfangsbereich verbunden werden. Um das Signal von dem gewünschten Signalempfangsbereich zu erfassen, wird der Ausgang des entsprechenden Signaldetektors gewählt. Konventionelle analoge Leitungen können für die Schaltungen und Detektoren benutzt werden. SignalerfassungwirdmittelskonventionellenAmplitudendetektions-oderPhasendetektionschaltkreisen erreicht.
Der Kraftsensor beinhaltet ein Kräftemeßgerät zur Bestimmung der Kraftkomponenten. Die Übertragungszeit eines Signals, welches vom Signalerzeugungsbereich erzeugt und zum Signalempfangsbereich übertragen wurde nach einer Reflektion an der Kontaktfläche kann mit einer konventionellen elektronischen Stoppuhr gemessen werden. Sobald der Signalerzeugungsbereich von der Erzeugungskontrolleinrichtung aktiviert wurde, beginnt eine Stoppuhr in der Kraftermittlungseinrichtung die Zeitmessung. Sobald das Kennungssignal von der Empfangskontrolleinrichtung erfaßt wurde, stoppt das Zählwerk. Das Zeitintervall, welches mit der Stoppuhr gemessen wurde, entspricht der Übertragungszeit des akustischen Signals. Dies ist ein Beispiel wie eine Signalübertragungszeit mittels des Kräftemeßgerätes gemessen werden kann durch Aktivieren der Zeitmessung ausgehend von der Erzeugungskontrolleinrichtung und Erfassung durch die Empfangskontrolleinrichtung. Andere Verfahren zur Aktivierung der Zeitmessung und Erfassung sind ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen. Ebenfalls kann in alternativen Ausführungen der Erfindung ein konventioneller Phasendetektionschaltkreis benutzt werden zur Messung der Phase des Kennungssignals, welches in Beziehung zur Signalübertragungszeit des akustischen Signals steht. Diese and andere Alternativen sind zur Messung der Signalübertragungszeit als gleichwertig anzusehen und sind daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen, wie in den Ansprüchen weiter ausgeführt.
Die Übertragungszeit ist proportional zur Entfernung, welche ein Signal vom Signalerzeugungsbereich zur Kontaktoberfläche des verformbaren Mediums und anschließend zum Signalempfangsbereich durchlaufen muß. Eine Änderung der Entfernung infolge einer Kraft, welche auf das verformbare Medium aufgebracht wird, erzeugt eine Änderung der Signalübertragungszeit.
Das Kräftemeßgerät zur Messung der Signalübertragungszeit kann von beliebiger Art sein. Die kritische Komponente des Kräftemeßgerätes besteht in der Anordnung zum Messen der Übertragungszeit. In vielen Fällen ist die aufgebrachte Kraftkomponente einfach proportional der Änderung der Übertragungszeit. Daher ist eine Umwandlung einer solchen Änderung der Übertragungszeit in eine Krafteinheit trivial. Sie kann durch Multiplikation mit einer Konstanten erhalten werden. Das Kräftemeßgerät kann wahlweise auch ein Gerät zur Bestimmung einer Kraftkomponente für eine ausgewählte Kreuzfeldüberschneidung enthalten (d.h. jede Schnittschnelle eines Signalerzeugungsbereiches mit einem Signalempfangsbereich). Die Änderung der Signalübertragungszeiten auf Grund der aufgebrachten Kraft kann von dem Kräftemeßgerät benutzt werden um die Kraftkomponente F zu berechnen. Der Sensor kann kalibriert werden indem die Signalübertragungszeit für jede Kreuzfeldüberschneidung gemessen und gespeichert wird wenn keine Kräfte auf die Kontaktoberfläche des deformierbaren Mediums aufgebracht sind. Für akustische Signale kann eine Kraftkomponente F für eine bestimmte Kreuzfeldüberschneidung wie folgt ausgedrückt werden: F = 1/2 kc (t&sub1; - t&sub2;), was im folgenden ausführlicher beschrieben wird.
Die Erzeugungskontrolleinrichtung aktiviert einen Signalerzeugungsbereich indem sie den Signalerzeugungsbereich ein Signal erzeugen läßt. Dieses Signal durchläuft das verformbare Medium und wird von der Kontaktoberfläche des verformbaren Mediums zum Signalempfangsbereich reflektiert. Signalempfangsbereiche reagieren mit dem reflektierten Signal und erzeugen ein Kennungssignal für die Empfangskontrolleinrichtung. Die Empfangskontrolleinrichtung wählt einen Signalempfangsbereich aus und erfaßt das Kennungssignal.
Wenn die Kontaktfläche des verformbaren Mediums ein Medium mit einem geringeren akustischen Widerstand berihrt (wie zum Beispiel Luft) erfährt das übertragene Signal eine Phasenverschiebung nach erfolgter Reflektion an der Oberfläche. Wenn die Kontaktfläche des verformbaren Mediums ein Medium mit einem größeren akustischen Widerstand kontaktiert (wie zum Beispiel Metal), wird das Signal ohne Umkehrung der Phase reflektiert.
Indem man einen bestimmten Signalerzeugungsbereich zur Aktivierung und einen bestimmten Signalempfangsbereich auswählt, werden Signale nur von Objekten empfangen, welche direkt über der Kreuzfeldüberschneidung liegen, die dem überlappenden Signalerzeugungs- und Signalempfangsbereich gemeinsam ist. Solch eine Kreuzfeldschaltung vermeidet das Problem zusätzliche Sensorelemente mit dem übertragenen Signal störend zu erregen. Außerdem vermeidet solch eine Kreuzfeldschaltung das Problem einer störend Kopplung des empfangenen Signals mit anderen Sensorelementen.
Sobald das Kennungssignal von der Empfangskontrolleinrichtung erfaßt wurde, kann die Signalübertragungszeit von dem Signalerzeugungsbereich zum ausgewählten Signalempfangsbereich gemessen werden mittels konventioneller Zeitmessung oder einer elektronischen Schaltung, welche die Phase ermittelt. Die Übertragungszeit eines Signals ist proportional zur Entfernung, welche ein Signal von dem Signalerzeugungsbereich zur Kontaktfläche des verformbaren Mediums und anschließend zum Signalempfangsbereich durchlaufen muß.
Eine Veränderung des verformbaren Mediums infolge einer aufgebrachten Kraft resultiert in der Veränderung der Signalübertragungszeit für eine Kreuzfeldüberschneidung. Indem man die Signalübertragungszeit für jede Kreuzfeldüberschneidung mißt, können die senkrechten Kraftkomponenten eines Objektes, welches auf die Oberfläche des Kraftsensors aufgebracht wird, bestimmt werden. Die Kraft, welche auf das verformbare Medium aufgebracht wird, kann als Verteilung von Kraftkomponenten über die Kontaktfläche des verformbaren Mediums dargestellt werden. Damit wird eine Kraftkomponente zu einer Kraft in Bezug auf eine Kreuzfeldüberschneidung. Kreuzfeldüberschneidungen können wiederum gewählt werden um eine Vielzahl von Kraftkomponenten entlang der Kontaktfläche zu bestimmen. Dies gibt ein Bild der Verteilung der Kraftkomponenten entlang der Kontaktfläche. Mit der Zeit kann die Kraftkomponente bezüglich einer gegebenen Kreuzfeldüberschneidung sich ändern. Eine individuelle (d.h. eine vorgegebene) Kreuzfeldüberschneidung kann daher wiederholt ausgewählt werden und Kraftkomponenten können daher wiederholt bestimmt werden. Somit läßt sich die Veränderung der Kraftkomponenten mit der Zeit ermitteln.
Abbildung 1 stellt eine schematische Ansicht einer Kreuzpunktschaltung dar.
Abbildung 2 stellt eine schematische Ansicht einer Kreuzfeldschaltung dar.
Abbildung 3 stellt einen Kraftsensor dar
Abbildung 4 stellt eine Signalerzeugungsschicht dar
Abbildung 5 stellt einen Signalerzeugungsbereich dar
Abbildung 6 stellt eine gefaltete Signalerzeugungsfolie dar
Abbildung 7 stellt eine Signalempfangsschicht dar
Abbildung 8 stellt einen Signalempfangsbereich dar
Abbildung 9 stellt eine gefaltete Signalempfangsfolie dar
Abbildung 10 stellt eine Kreuzfeldüberschneidung dar
Abbildung 11 zeigt eine gefaltete Signalerzeugungsfolie, welche auf einer gefalteten Signalempfangsfläche aufgesetzt und mit derselben verbunden ist.
Abbildung 12 stellt geschichtete Signalerzeugungsschichten und Signalempfangsschichten dar.
Abbildung 13 zeigt einen Querschnitt von drei Kreuzfeldüberschneidungen eines Kraftsensors ohne eine aufgebrachte Kraft.
Abbildung 14 zeigt einen Querschnitt von drei Kreuzfeldüberschneidungen eines Kraftsensors, wobei eine Kraft auf der Kontaktfläche des verformbaren Mediums aufgebracht wurde.
Abbildung 15 zeigt eine Kraftsensoranordnung, bestehend aus Signalerzeugungsbereichen, welche Kreuzfeldüberschneidungen mit den Signalempfangsbereichen bilden.
Abbildung 16 zeigt den Finger eines Roboters, welcher die Anordnung der Abbildung 15 benutzt.
Abbildung 17 zeigt keilförmige Signalerzeugungsbereiche.
Abbildung 18 zeigt kreisförmige Signalerzeugungsbereiche
Es ist festzustellen, daß die relativen Abmessungen in den Abbildungen verzerrt sind um die Darstellung zu erleichtern.
Der Kraftsensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein deformierbares Medium 10 mit Kontaktfläche 8, wie in Abbildung 3 dargestellt. Kontaktfläche 8 ist die Fläche, auf der eine Kraft aufgebracht wird. Zusätzlich beinhaltet der Sensor einen Signalerzeuger in Form einer signalerzeugenden Schicht 12, welcher akustische Signale erzeugt. In anderen Ausführungen der Erfindung können andere Signale (z.B. optische Signale, usw. ) benutzt werden anstelle von akustischen Signalen. Der Signalerzeuger 12 wird mittels elektronischer Pulse ausgehend von der Erzeugungskontrolleinrichtung 18, wie in Abbildung 3 dargestellt, aktiviert. Die akustischen Signale, erzeugt von dem Signalerzeuger 12, durchlaufen das deformierbare Medium 10 und werden an der Kontaktfläche 8 reflektiert.
Der Sensor schließt weiterhin einen Signalempfänger in Form einer Signalempfangsschicht 14 ein, welche die reflektierten akustischen Signale empfängt. Die Signalempfangsschicht 14 wandelt die reflektierten akustischen Signale in elektrische Signale um, welche als Kennungssignale dienen. Die Signalempfangsschicht 14 wird von der Empfangskontrolleinrichtung 20, wie in Abbildung 3 dargestellt, kontrolliert. Das Kräftemeßgerät 22 ermittelt die aufgebrachten Kräfte, indem die Übertragungszeit der akustischen Signale gemessen wird und die Kräftekomponenten hiermit berechnet werden.
Ein Substrat 16, wie in Abbildung 3 gezeigt, unterstützt das verformbare Medium 10, den Signalerzeuger 12 und den Signalempfänger 14.
Die mechanischen Eigenschaften und die Schallgeschwindigkeit des verformbaren Mediums 10, wie in Abbildung 3 dargestellt, sollten bekannt sein.
Vorzugsweise besteht das verformbare Medium 10 aus einer Urethan Gummischicht (oder aus einem anderen gummiartigen, widerstandsfähigen Material wie z. B Naturgummi, Elastomere, Silikon Gummi, usw.) Die Dicke des verformbaren Mediums in dieser Ausführung der Erfindung beträgt typischerweise zwischen 1 mm und weniger, bis zu 25,4 mm und mehr. Die Fläche beträgt etwa 2 mm x 2 mm oder weniger, bis zu 0,9 m x 0,9 m oder mehr. Das verformbare Medium 10 kann von jeglicher Gestalt, Größe oder Abmessungen sein, welche für die Anwendungen, in denen der Sensor verwendet wird, geeignet sind.
Eine Seite des verformbaren Mediums 10 ist eine Kontaktfläche 8, auf welcher eine Kraft aufgebracht werden kann. Die andere Seite des verformbaren Mediums kann mit einer Folie aus Kapton (oder einer anderen Folie, wie zum Beispiel Mylar) beschichtet sein. Die Signalerzeugungsschicht 12 kann mit einer Folie aus Kapton ( oder einer anderen Folie wie zum Beispiel Mylar) beschichtet sein. Die beschichtete Seite des verformbaren Mediums 10 kann mit der beschichteten Seite der Signalerzeugungsschicht 12 mit einem Klebstoff aus Urethan (oder einem anderen Material welches klebfähig ist, wie zum Beispiel Epoxy, usw.) verbunden werden. Das verformbare Medium 10 wird mit der Signalerzeugungsschicht 12 auf diese oder andere Art verbunden. Das verformbare Medium 10 kann alternativ auch mit der Signalempfangsschicht 14 verbunden werden, wenn die Position des Signalerzeugers 12 und des Signalempfängers 14 vertauscht sind.
Der Signalempfänger 12 besteht aus den Signalerzeugungsbereichen 36, wie in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. In der vorliegenden Ausführung der Erfindung sind die Signalerzeugungsbereiche 36 keine getrennten Einheiten oder Geräte, welche miteinander verbunden sind, vielmehr sind sie Teile einer einzigen integrierten Signalerzeugungsschicht. In alternativen Ausführungen der vorliegenden Erfindung können die Signalerzeugungsbereiche getrennte Einheiten, Geräte, oder andere Mittel zur Erzeugung eines Signals sein, welche so ausgerichtet oder angeordnet sind, daß sie eine Schicht bilden. Abbildung 4 zeigt drei Signalerzeugungsbereiche 36; in der Praxis kann die Anzahl der Signaerzeugungsbereiche zwischen 1 bis 80 oder mehr betragen in Abhängigkeit dessen was die Anwendungen für den Sensor erfordern. Ein Signalerzeugungsbereich kann von beliebiger Art sein um ein Signal zu erzeugen, welches mindestens zu einem der Signalempfangsbereiche (siehe weiter unten) mittels Reflektion an der Kontaktfläche 8 übertragen wird. Ein Signalerzeugungsbereich 36 besteht vorzugsweise aus einem Ultraschallwandler. Der Ultraschallwandler kann von einer Bauart und Form sein wie in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt.
Eine Schicht 28 des Signalerzeugungsbereiches 36 kann aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) bestehen (oder einem anderen piezoelektrischen Material, wie zum Beispiel poly-gamma-metyl-L-Glutamat, Polyacrylnitril, Polyvinylfluorid, Blei-Titan Zirkonat, Blei Metaniobat, Barium Titanat, usw.) Die piezoelektrische Schicht 28 ist zwischen der Elektrode 24 und der Isolationsschicht 26 angeordnet, wie in Abbildung 5 dargestellt. Wenn die piezoelektrische Schicht 28 aus PVDF besteht, kann ihre Dicke typischerweise 6 bis 1 000 Mikron betragen. Vorzugsweise beträgt die PVDF Schichtdicke 9 bis 52 Mikron. Die Fläche der piezoelektrischen Schicht kann typischerweise 0,5 mm x 0,5 mm oder weniger bis zu etwa 0,9 m x 0,9 m oder mehr betragen. Ihre Form, Größe sowie Abmessungen können an die beabsichtigten Anwendungen angepaßt werden.
Die Elektroden 24 der Signalerzeugungsbereiche 36 können so hergestellt werden, daß im Vakuum ein dünner Film aus Aluminium und Zinn (oder einem anderen Material, das in der Lage ist die Funktion einer Elektrode zu erfüllen, wie zum Beispiel Nickel, Gold, usw.) auf der piezoelektrischen Schicht 28 aufgetragen wird und ungewünschtes Aluminium und Zinn aus dem Substrat mittels konventioneller Photoätzung entfernt wird. Dieses Entfernen hinterläßt die gewünschte Ausführung der Elektroden 24. Jede anderen geeigneten Konstruktionsverfahren können angewandt werden wie zum Beispiel das Abschirmen mit konduktiven Farben. Die Elektroden 24 sind mit den Kabeln 32 verbunden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wenn eine Elektrode 24 mittels eines elektrischen Pulses aus der Erzeugungskontrolleinrichtung 18 aktiviert wurde, erregt die Elektrode 24 den Teil der piezoelektrischen Schicht 28 zwischen der Elektrode 24 und der Isolationsschicht 26 um ein akustisches Signal zu erzeugen.
Die Isolationsschicht 26 besteht aus einer metallisierten Aluminium Zinn Schicht ( oder aus einem anderen leitfähigen Material wie zum Beispiel Nickel, Gold, usw.). Die Isolationsschicht 26 ist eine Elektrodenschicht, welche mit der Elektronik der Erzeugungskontrolleinrichtung 18 mittels Kabel 34 verbunden ist, wie in Abbildungen 4 und 5 dargestellt. In dieser Ausführung ist das Kabel 34 geerdet und somit ist die Isolationsschicht 26 ebenfalls geerdet. Die Isolationsschicht 26 schirmt die Signalerzeugungsschicht 12 und die Signalempfangsschicht 14 elektrisch von anderen elektrischen Störungen ab. In alternativen Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann die Isolationschicht eine beliebige Schicht sein, welche die Signalerzeugungsbereiche 36 und die Signalempfangsbereiche 52 elektronisch isoliert.
In Abbildung 3 ist der Signalerzeuger 12 eine einzelne Signalerzeugungsschicht 12. Vorzugsweise jedoch besteht der Signalerzeuger 12 aus einer Vielzahl von signalerzeugenden Schichten, wobei jede Schicht zumindest einen Signalerzeugungsbereich und vorzugsweise eine Vielzahl von Signalerzeugungsbereichen besitzt. Eine Möglichkeit dies mit flexiblen piezoelektrischen Materialien zu erreichen besteht darin, daß man die Signalerzeugungsfolie 37 an den Stellen 38 faltet, wie in Abbildung 6 gezeigt. Sobald sie gefaltet ist, stellt die Folie 37 der Abbildung 6 drei Signalerzeugungsschichten bereit, wobei jede Schicht eine Vielzahl von Signalerzeugungsbereichen 36 aufweist. In dem genannten Beispiel hat der Signalerzeuger 12 eine obere Schicht, eine untere Schicht und eine Zwischenschicht. Diese Schichten überlappen einander.
Viele Faltungen und viele überlappenden signalerzeugenden Zwischenschichten sind möglich. Sobald sie gefaltet sind, sollten die Signalerzeugungsschichten so ausgerichtet werden, daß die Elektroden eines Signalerzeugungsbereiches keinen Kurzschluß mit den Elektroden eines anderen Signalerzeugungsbereiches verursachen. Die überlappenden Signalerzeugungsbereiche sollten akustisch hintereinander liegen. Entsprechend erzeugt das zusätzliche Wandlermaterial ein stärkeres akustisches Signal.
Der Kraftsensor beinhaltet eine Signalempfangsschicht 14, wie in Abbildung 7 dargestellt. Die Signalempfangsschicht 14 besteht aus Signalempfangsbereichen 52, wie in Abbildungen 7 und 8 dargestellt. In dieser Ausführung der Erfindung sind die Signalempfangsbereiche 52 keine getrennten Einheiten, Geräte, usw, welche miteinander verbunden sind, vielmehr sind sie Teile einer einzigen, integrierten Signalempfangsschicht. In alternativen Ausführungen der vorliegenden Erfindung können die Signalempfangsbereiche aus separaten Einheiten, Geräten oder anderen Mitteln zum Empfangen eines Signals bestehen, welche so angeordnet und ausgerichtet sind, daß sie eine Schicht bilden. Abbildung 7 zeigt drei Signalempfangsbereiche 52, in der Praxis kann die Anzahl der Signalempfangsbereiche 1 bis 80 oder mehr betragen, je nachdem was für die Anwendungen, in denen der Sensor eingesetzt wird, geeignet ist. Ein Signalempfangsbereich kann von beliebiger Art zum Empfangen eines Signals sein, welches von zumindest einem der Signalerzeugungsbereiche 36 erzeugt und übertragen und von der Kontaktfläche 8 reflektiert wurde, sowie zur Erzeugung eines Kennungssignals als Reaktion auf den Empfang des reflektierten Signals. Vorzugsweise besteht der Signalempfangsbereich 52 aus einem Ultraschallwandler. Der Ultraschallwandler kann die Bauart und Form besitzen, wie in Abbildungen 7 und 8 dargestellt.
Eine Schicht 44 des Signalempfangsbereiches 52 besteht aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) (oder einem anderen piezoelektrischen Material, wie zum Beispiel polygamma-metyl-L-Glutamat, Polyacrylnitril, Polyvinylfluorid, Blei- Titanat-Zirkonat, Blei- Metaniobat, Banum-Titanat, usw.) Die piezoelektrische Schicht 44 ist zwischen der Elektrode 40 und der Isolationsschicht 42 angeordnet, wie in Abbildung 8 dargestellt. Wenn die piezoelektrische Schicht aus PVDF besteht, kann ihre Dicke typischerweise 6 bis 1 000 Mikron betragen. Vorzugsweise beträgt die PVDF Schichtdicke 9 bis 52 Mikron. Die Fläche der piezoelektrischen Schicht kann typischerweise 0,5 mm x 0,5 mm oder weniger bis zu etwa 0,9 m x 0,9 m oder mehr betragen. Ihre Form, Größe sowie Abmessungen können den beabsichtigten Anwendungen angepaßt werden.
Die Elektroden 40 der Signalempfangsbereiche 52 können so hergestellt werden, daß im Vakuum ein dünner Film aus Aluminium und Zinn (oder einem anderen Material, das in der Lage ist die Funktion einer Elektrode zu erfüllen, wie zum Beispiel Nickel, Gold, usw.) auf der piezoelektrischen Schicht 44 aufgetragen wird und ungewünschtes Aluminium und Zinn aus dem Substrat mittels konventioneller Photoätzung entfernt wird. Dieses Entfernen hinterläßt die gewünschte Ausführung der Elektroden 40. Jede anderen geeigneten Konstruktionsverfahren können angewandt werden wie zum Beispiel das Abschirmen mit konduktiven Farben. Die Elektroden 40 sind mit den Kabeln 48 verbunden, wie in Abbildung 7 dargestellt. Wenn ein Signalempfangsbereich 52 ein akustisches Signal von einem Signalerzeugungsbereich 36 erhält wird derjenige Teil der piezoelektrischen Schicht 44 zwischen der Elektrode 40 und der Isolationsschicht 42, wie in Abbildung 8 dargestellt, durch das akustische Signal aktiviert und ein elektrisches Signal (Kennungssignal) wird an der Elektrode 40 erzeugt. Auf diese Weise empfängt der Signalempfangsbereich 52 das Signal und erzeugt ein Kennungssignal als Reaktion auf das empfangene Signal. [ Hinweis: In der vorliegenden Beschreibung der Erfindung und der Ansprüche, sollte das Kennungssignal nicht verwechselt werden mit einem Hinweis auf das Signal, welches von dem Signalerzeugungsbereich erzeugt wird, welches in der vorliegenden Ausführung ein akustisches Signal ist. Um Verwechslungen zu vermeiden wird das Kennungssignal immer als Kennungssignal bezeichnet. Jede andere Bezugname auf ein "Signal" bedeutet das Signal, welches vom Signalerzeugungsbereich erzeugt wurde.]
Die Isolationsschicht 42 besteht aus einer metallisierten Aluminium Zinn Schicht ( oder aus einem anderen leitfähigen Material wie zum Beispiel Nickel, Gold, usw.). Die Isolationsschicht 42 ist eine Elektrodenschicht, welche mit der Elektronik der Empfangskontrolleinrichtung 20 mittels Kabel 50 verbunden ist, wie in Abbildungen 7 und 8 dargestellt. In dieser Ausführung ist das Kabel 50 geerdet und somit ist die Isolationsschicht 42 ebenfalls geerdet. Die Isolationsschicht 42 schirmt die Signalerzeugungsschicht 12 und die Signalempfangsschicht 14 elektrisch von anderen elektrischen Störungen ab. In alternativen Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann die Isolationschicht eine beliebige Schicht sein, welche die Signalempfangsbereiche 52 und die Signalerzeugungsbereiche 36 elektronisch isoliert.
In Abbildung 3 besteht der Signalempfänger 14 aus einer einzelnen Empfangsschicht 12. Vorzugsweise besitzt der Signalempfänger 14 jedoch eine Vielzahl von Signalempfangsschichten, wobei jede Schichtzumindest einen Signalempfangsbereich und vorzugsweise eine Vielzahl von Signalempfangsbereichen aufweist. Eine Möglichkeit dies mit flexiblen piezoelektrischen Materialien zu erreichen besteht darin, daß man eine Signalempfangsfolie 39 an den Stellen 38 faltet, wie in Abbildung 9 dargestellt. Sobald sie gefaltet ist stellt die Folie 39 der Abbildung 9 drei Signalempfangschichten zur Verfügung, wobei jede Schicht eine Vielzahl von Signalempfangsbereichen 52 aufweist. In dem genannten Beispiel besitzt der Signalempfänger eine obere Schicht, eine untere Schicht und eine Zwischenschicht. Diese Schichten überlappen einander.
Viele Faltungen und viele überlappenden signalempfangenden Zwischenschichten sind möglich. Sobald sie gefaltet sind sollten die Signalempfangsschichten so ausgerichtet werden, daß die Elektroden eines Signalempfangsbereiches keinen Kurzschluß mit den Elektroden eines anderen Signalempfangsbereiches verursachen. Die überlappenden Signalempfangsbereiche sollten akustisch hintereinander liegen. Entsprechend erzeugt das zusätzliche Wandlermaterial ein stärkeres akustisches Signal.
Die Elektroden 40 sind orthogonal ausgerichtet in bezug auf die Elektroden 24, wie in Abbildung 10 dargestellt. In dieser Ausführung der Erfindung sind die Elektroden 24 der Signalerzeugungsbereiche 36 in Reihen angeordnet und die Elektroden 40 der Signalempfangsbereiche 52 in Spalten angeordnet. Dies ist eine Möglichkeit Signalerzeugungsbereiche in Form von Reihen und Signalempfangsbereiche in Form von Spalten zu konstruieren. Andere Konstruktionsmethoden sind im Rahmen der Erfindung möglich. In dieser Ausführung der Erfindung sind die Reihen rechtwinklig in Bezug auf die Spalten ausgerichtet. In Abbildung 10 überlappen eine Reihe 36 des Signalerzeugungsbereiches und eine Spalte 52 des Signalempfangsbereiches einander im rechten Winkel. Eine solche orthogonale Ausrichtung in der Überlappung der Reihen des Signalerzeugungsbereiches und der Spalten des Signalempfangsbereiches ist vorzuziehen. In anderen Ausführungen der Erfindung können die Reihen und Spalten einander in einer nicht orthogonalen Weise überlappen ( d.h. die Reihen sind nicht rechtwinklig zu den Spalten). Wenngleich Reihen des Signalerzeugungsbereiches und Spalten des Signalempfangsbereiches bevorzugt werden, können andere überlappende Anordnungen in der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In alternativen Ausführungen der vorliegenden Erfindung können andere überlappende Anordnungen der Elektroden verwendet werden. Zum Beispiel zeigen Abbildungen 15 und 16 Signalerzeugungsbereiche 36, welche nicht im wahrsten Sinne rechtwinklig zu den Signalempfangsbereichen 52 angeordnet sind, da die Bereiche 36 abgeschrägt sind. Eine solche Anordnung von abgeschrägten Signaleerzeugungsbereichen 36, welche Signalempfangsbereiche 52 überlappen, können zum Beispiel als Teil eines Roboterfingers 90 eingesetzt werden, wie in Abbildung 16 dargestellt. Abbildungen 17 und 18 zeigen keilförmige Signalerzeugungsbereiche 36 und kreisförmige Signalempfangsbereiche 52. Die keilförmigen Signalerzeugungsbereiche 36 der Abbildung 17 können mit den kreisförmigen Signalempfangsbereichen 52 der Abbildung 18 überlappt werden um eine Kreuzfeldüberschneidung in einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Die Überlappung eines Signalerzeugungsbereiches 36 und eines Signalempfangsbereiches 52 bestimmt und erzeugt eine Kreuzfeldüberschneidung 53, wie in Abbildung 10 dargestellt. Wenngleich der Signalerzeugungsbereich und der Signalempfangsbereich sicht nicht im wahrsten Sinne überschneiden hinsichtlich der Beschreibung und der angeführten Ansprüche, so definiert diese Überlappung eine Kreuzfeldüberschneidung, auf welche immer wieder verwiesen wird. In Abbildung 10 ist der obere Bereich der Signalerzeugungsbereich. Alternativ hierzu können die Positionen des Signalempfangsbereiches 52 und des Signalerzeugungsbereiches 36 vertauscht werden.
In der vorliegenden Ausführung der Erfindung überlappen die signalerzeugenden Reihen 36 und die signalempfangenden Spalten 52 und bilden eine Vielzahl von Kreuzfeldüberschneidungen. Indem man einen Signalerzeugungsbereich 36 aktiviert um ein Signal zu erzeugen, welches nach erfolgter Reflektion zu einer ausgewählten Spalte 52 des Signalempfangsbereichs übertragen wird, und indem man ein Kennungssignal von einer Spalte 52 des Signalempfangsbereiches für jede Kreuzfeldüberschneidung 53 empfängt, lassen sich die störenden Kopplungsprobleme einer Kreuzpunktschaltung vermeiden.
Die gefaltete Signalerzeugungsfolie 37 (siehe hierzu Abbildung 6), und die gefaltete Signalempfangsfolie 39 (siehe hierzu Abbildung 9), können miteinander verbunden werden wie in Abbildung 11 dargestellt. In dem vorliegenden Beispiel sind die Signalerzeugungsfolie 37 und die Signalempfangsfolie 39 jeweils zweifach gefaltet und mit einem Epoxy Klebstoff (oder einem anderen Material, welches klebefähig ist, wie zum Beispiel Urethan, Zyanidacrylat, usw) verbunden worden. Die Anzahl der Faltungen in der Signalerzeugungsfolie 37 kann unterschiedlich von der Anzahl der Faltungen in der Signaleempfangsfolie 39 sein. Entsprechend kann die Anzahl der Signalerzeugungsschichten verschieden von der Anzahl der Signalempfangsschichten sein. Eine Kreuzfeldüberschneidung wird gebildet ( z. B. definiert) durch die Überlappung von ein oder mehreren Signalerzeugungsbereichen (z.B. 24 a) mit einem oder mehreren Signalempfangsbereichen (z.B. 40 a); diese Überlappung setzt sich nunmehr jedoch durch eine Vielzahl von Schichten fort. Aus Abbildung 11 läßt sich ersehen, daß jede Signalerzeugungsschicht drei Signalerzeugungsbereiche besitzt. In einer vorgegebenen Signalerzeugungsschicht, bilden eine Elektrode 24 a zusammen mit einer piezoelektrischen Schicht 28 und einer Isolationsschicht 26 einen solchen Signalerzeugungsbereich. Die anderen beiden Signalerzeugungsbereiche werden ähnlich gebildet von den Elektroden 24 b und 24 c gemeinsam mit der piezoelektrischen Schicht 28 und der Isolationsschicht 26 in derselben Ebene. Jede Signalerzeugungsschicht enthält einen Satz Elektroden 24 a, 24 b, 24 c sowie eine piezoelektrische Schicht 28 und eine Isolationsschicht 26. Ähnlich läßt sich erkennen, daß jede Signalempfangsschicht drei Signalempfangsbereiche besitzt. In einer gegebenen Signalempfangsschicht bilden eine Elektrode 40 a zusammen mit einer piezoelektrischen Schicht 44 und einer Isolationsschicht 42 einen solchen Signalempfangsbereich. Die anderen beiden Signalempfangsbereiche in der Schicht werden ähnlich durch die Elektroden 40 b und 40 c gemeinsam mit der piezoelektrischen Schicht 44 und der Isolationsschicht 42 in derselben Ebene gebildet. Jede Signalempfangsschicht besitzt einen Satz Elektroden 40 a, 40 b, 40 c sowie eine piezoelektrische Schicht 44 und eine Isolationsschicht 42.
In anderen Ausführungen können die Signalerzeugungsschichten und die Signalempfangsschichten zwischengeschichtet sein. Zwischenschichten kann zum Beispiel wie folgt erfolgen: 1) Falten einer Signalerzeugungsfolie einmal 2) Falten einer Signalempfangsfolie einmal 3) Verbinden der gefalteten Signalerzeugungsfolie mit der gefalteten Signalempfangsfolie mittels eines Epoxy Klebstoffes (oder eines anderen Materials welches klebfähig ist, wie zum Beispiel Urethan, Zyanakrylat, usw.) 4) Wiederholen der Schritte 1 bis 3 für mehrere zwischengeschichtete Schichten. Die Anzahl der Zwischenschichten kann 1 bis 20 oder mehr sein. Vorzugsweise werden etwa 3 - 6 Zwischenschichten benutzt; jedoch kann die Anzahl in der praktischen Ausführung variieren, je nach den beabsichtigten Anwendungen und der Präferenzen des Benutzers der Erfindung. Andere Faltmethoden können verwendet werden, jedoch sollten die Elektroden der Signalerzeugungsschichten und der Signalempfangsschichten nicht mit der Erdung oder anderen Elektroden kurzschließen.
Abbildung 12 stellt zwischengeschichtete Signalerzeugungsschichten und Signalempfangsschichten dar. Die Signalerzeugungsschichten bilden die überlappenden Elektroden 24 a, 24 b, 24 c. In anderen Worten: die Elektroden 24 a und die Reihen des Signalerzeugungsbereiches , definiert durch die Elektroden 24 a, überlappen einander. Das gleiche gilt für die Elektroden 24 b (und die hierdurch definierten Reihen) und die Elektroden 24 c ( und die hierdurch definierten Reihen). Die Elektroden 24 a haben eine gemeinsame Quelle zur Erzeugungskontrolleinrichtung 18 (d.h. ein elektrischer Impuls von der Erzeugungskontrolleinrichtung 18 kann die Elektroden 24 a aktivieren). Die Elektroden 24 b haben eine gemeinsame Quelle zur Erzeugungskontrolleinrichtung 18 und die Elektroden 24 c haben eine gemeinsame Quelle zur Erzeugungskontrolleinrichtung 18. Die Elektroden 24 a, 24 b, 24 c, sowie die piezoelektrische Schicht 26 und die Isolationsschicht 26 oder 56 definieren die Signalerzeugungsbereiche.
Die Signalempfangsschichten bilden die überlappenden Elektroden 40 a, 40 b, 40 c. In anderen Worten: die Elektroden 40 a und die Spalten des Signalempfangsbereiches , definiert durch die Elektroden 40 a, überlappen einander. Das gleiche gilt für die Elektroden 40 b (und die hierdurch definierten Spalten) und die Elektroden 40 c ( und die hierdurch definierten Spalten). Die Elektroden 40 a haben eine gemeinsame Quelle zur Empfangskontrolleinrichtung 20. Die Elektroden 40 b haben eine gemeinsame Quelle zur Empfangskontrolleinrichtung 20. Die Elektroden 40 c haben eine gemeinsame Quelle zur Empfangskontrolleinrichtung 20. Die Elektroden 40 a, 40 b, 40 c, sowie die piezoelektrische Schicht 44 und die Isolationsschicht 42 oder 56 definieren die Signalempfangsbereiche. An der Stelle, wo die gefalteten Schichten miteinander verbunden sind, wirkt eine überlappende Isolationsschicht 56 als einzige, wenngleich dickere Isolationsschicht wegen des gemeinsamen Endes. Die Isolationsschicht 56 wird von den Isolationsschichten 26 und 42 gebildet.
Die gefalteten und zwischengeschichteten Signalerzeugungsschichten können Signale einer größeren Größenordnung erzeugen. Der Empfang der akustischen Signale in den gefalteten und zwischengeschichteten Signalempfangsschichten ist empfindlicher. Kreuzfeldüberschneidungen werden durch das Überlappen der Signalerzeugungsbereiche (definiert durch die Elektroden 24 a, 24 b, 24 c) und die Signalempfangsbereiche (definiert durch die Elektroden 40 a, 40 b, 40 c) definiert (d.h. gebildet). Diese Überlappung erfolgt nunmehr jedoch durch eine Vielzahl von zwischengeschichteten Schichten. Die Anordnung der Signalempfangsschichten und Signalerzeugungsschichten kann ebenfalls vertauscht werden, so daß die obere Signalempfangsschicht mit dem verformbaren Medium 10 verbunden ist.
Aus Abbildung 12 ist zu erkennen, daß jede Signalerzeugungsschicht einen Satz Elektroden 24 a, 24 b, 24 c, eine piezoelektrische Schicht 28 sowie eine Isolationsschicht 56 oder 26 besitzt. Ähnlich ist zu erkennen, daß jede Signalempfangsschicht einen Satz Elektroden 40 a, 40 b, 40 c sowie eine piezoelektrische Schicht 44 und eine Isolationsschicht 56 oder 42 besitzt.
Vorzugsweise beinhaltet der Kraftsensor ein Substrat 16, welches beliebiger Art sein kann zur Unterstützung des verformbaren Mediums 10, des Signalerzeugers 12 und des Signalempfängers 14, wie in Abbildungen 3 und 13 dargestellt. In der vorliegenden Ausführung der Erfindung, besteht das Substrat aus Keramik (oder einem anderen festen Material wie zum Beispiel Stahl, Aluminium, usw) und unterstützt den Signalerzeuger und den Signalempfänger direkt. In anderen Ausführungen der Erfindung kann ein flexibles Material wie zum Beispiel Kapton benutzt werden.
Der Kraftsensor beinhaltet weiterhin eine Erzeugungskontrolleinrichtung 18, wie in Abbildung 3 dargestellt, um die Signalerzeugungsbereiche auszuwählen und zu aktivieren. Die Erzeugungskontrolleinrichtung 18 kann verschieden konfiguriert sein. In einer Konfiguration ist ein einziger Pulserzeuger durch Schalter mit den Signalerzeugungsbereichen verbunden. Sobald verbunden wird der Pulserzeuger ausgelöst und erzeugt einen elektrischen Puls, welcher den gewählten Signalerzeugungsbereich aktiviert. In einer alternativen Konfiguration ist jeder Signalerzeugungsbereich mit einem getrennten Pulserzeuger verbunden. Um den gewünschten Signalerzeugungsbereich zu wählen und zu aktivieren, wird der entsprechende Pulserzeuger ausgelöst. Konventionelle analoge und digitale Schaltkreise können für die Schalter und Pulserzeuger benutzt werden.
Der Kraftsensor beinhaltet eine Empfangskontrolleinrichtung 20 (Abbildung 3) zum Wählen der Signalempfangsbereiche und um die Kennungssignale der gewählten Signalempfangsbereiche zu erfassen. Die Empfangskontrolleinrichtung kann verschiedene Konfigurationen besitzen. In einer Konfiguration ist ein einziger Kennungssignal Detektor durch Schalter mit dem gewünschten Signalempfangsbereich verbunden. In einer anderen Konfiguration sind getrennte Kennungssignal Detektoren mit jedem Signalempfangsbereich verbunden. Um das Kennungssignal des gewählten Signalempfangsbereiches zu erfassen, wird der Ausgang des entsprechenden Kennungssignal Detektors gewählt. Die Erfassung kann mittels Amplitudendetektions- oder Phasendetektions- schaltkreisen erreicht werden. Konventionelle analoge Schaltkreise können für die Schalter und Detektoren benutzt werden.
Der Kraftsensor beinhaltet ein Kraftmeßgerät (siehe Abbildung 3) um die Kraftkomponenten zu ermitteln. Die Übertragungszeit eines Signals von einem Signalerzeugungsbereich zu einem Signalempfangsbereich kann dadurch gemessen werden, daß man die Aktivierung und die Detektion zeitlich erfaßt. Eine konventionelle elektronische Stoppuhr oder anderes Gerät kann für diesen Zweck benutzt werden. Wenn der Signalerzeugungsbereich durch Aktivierung der Erzeugungskontrolleinrichtung 18 aktiviert worden ist, beginnt die Stoppuhr im Kraftmeßgerät zu zählen. Das Signal wird zum Signalempfangsbereich nach Reflektion an der Kontaktfläche 8 übertragen. Der Signalempfangsbereich erhält das Signal und erzeugt als Antwort ein Kennungssignal. Erfassen des Kennungssignals durch die Empfangskontrolleinrichtung 20 stoppt die Stoppuhr. Das mit der Stoppuhr gemessene Zeitinterval ist gleich der Übertragungszeit des Signals (welches in dieser Ausführung ein akustisches Signal ist). In alternativen Ausführungen können konventionelle Detektionsschaltkreise benutzt werden um die Phase des Kennungssignals zu messen, welches in Beziehung zur Übertragungszeit des Signals steht (d.h. des Signals, welches von dem Signalerzeugungsbereich erzeugt wurde). Ein Kraftmeßgerät kann lediglich die Übertragungszeit des Signals ermitteln. Diese Übertragungszeit ist proportional zur eigentlichen Kraftkomponente und stellt daher eine relative Messung der Kraftkomponente dar. Weiterhin sind Änderungen in den Übertragungszeitenberechnungen über einen gewissen Zeitraum hinweg proportional zu Änderungen in den Kraftkomponentenberechnungen über denselben Zeitraum hinweg. Falls gewünscht kann das Kraftmeßgerät zusätzlich als Option ein Gerät zur Berechnung der Kraftkomponente einschließen.
Es ist hervorzuheben, daß konventionelle Konfigurationen, Schaltkreise und Programmierlogik für die Erzeugungskontrolleinrichtung 18, Empfangskontrolleinrichtung 20 und Kraftmeßgerät 22 benutzt oder angepaßt werden können. Mit dieser Beschreibung sollte eine Person mit gewöhnlichen Kenntnissen in dieser Technik in der Lage sein, Konfigurationen, Schaltkreise und Programmierlogik für die Ausübung dieser Erfindung auszuwählen, zusammenzustellen und zu entwickeln. Das notwendige Know-how und die Erfahrung sind wohl bekannt und stellen nicht den Kern dieser Erfindung dar.
Die Übertragungszeit eines Signals ist proportional zur Entfernung, welche ein Signal von dem Signalerzeugungsbereich 36 zur Kontaktfläche 8 des verformbaren Mediums 10 und anschließend wieder zu den Signalempfangsbereichen 52 a, 52 b, 52 c durchlaufen muß, wie in Abbildung 13 dargestellt. Eine Änderung dieser Entfernung auf Grund einer Kraft, die auf das verformbare Medium aufgebracht wurde, bewirkt eine Änderung der Übertragungszeit des Signals ( 60 und 60' ) zum Signalempfangsbereich 52 b, wie in Abbildung 14 dargestellt.
Abbildungen 13 und 14 zeigen drei Kreuzfeldüberschneidungen, welche durch die Überschneidung des Signalerzeugungsbereiches 36, angeordnet über den Signalempfangsbereichen 52 a, 52 b und 52 c, gebildet werden. Die Veränderung in der Signalübertragungszeit, welche durch die aufgebrachte Kraft 62 verursacht wird, wie in Abbildung 14 dargestellt, kann von dem Kräftemeßgerät benutzt werden, um die Kraftkomponente F für eine gewählte Kreuzfeldüberschneidung zu berechnen. (Es ist anzumerken, daß in alternativen Ausführungen dieser Erfindung das Kräftemeßgerät lediglich die Signalübertragungszeit mißt, da für viele Anwendungen diese Messung ausreicht und eine aktuelle Bestimmung der Kraftkomponente nicht erforderlich ist.] Der Sensor wird kalibriert durch Messen und Speichern der Signalübertragungszeit für Signal 58 jeder Kreuzfeldüberschneidung, wenn keine Kräfte auf die Kontaktfläche 8 des verformbaren Mediums aufgebracht sind, wie in Abbildung 13 dargestellt. Die Kraftkomponente F für eine ausgewählte Kreuzfeldüberschneidung kann bestimmt werden gemäß: F = 1/2 kc (t&sub1; - t&sub2;).
Die Koeffizienten k und c sind bekannte Konstanten. Die Zeit t&sub1; ist die Zeit, welche das Signal braucht um vom Signalerzeugungsbereich das verformbare Medium zum Signalempfangsbereich zu durchlaufen, wenn keine Kräfte aufgebracht sind. Die Schallgeschwindigkeit c des verformbaren Medium und die Elastizitätskonstante k des Mediums können in der Literatur aufgefunden oder experimentell bestimmt werden. Die Zeit t&sub2; für das Signal 60 und 60' der Abbildung 14 wird mit der Kraftmeßeinrichtung gemessen. Diese Messung kann mit der Zeit wiederholt werden. Die Kraftkomponente F wird für jede Kreuzfeldüberschneidung berechnet, indem man den entsprechenden Wert für t&sub1;, der während der Kalibrierung des Sensors abgespeichert wurde, und den gemessenen Wert für t&sub2; benutzt. Wenn keine Kraft auf die Kreuzfeldüberschneidung während der Messung von t&sub2; aufgebracht wurde, dann ist t&sub2; = t&sub1; und somit F = 0.
Wenn der Kraftsensor in Betrieb ist wählt die Erzeugungskontrolleinrichtung 18 einen Signalerzeugungsbereich ( in der vorliegenden Ausführung eine Signalerzeugungsreihe 36) des Signalerzeugers 12 aus. Ein elektrischer Puls von der Erzeugungskontrolleinrichtung 18 aktiviert die Elektrode des gewählten Signalerzeugungsbereiches (Reihe 36). Die stromführende Elektrode verursacht, daß die piezoelektrische Schicht ein akustisches Signal 60 erzeugt, wie in Abbildung 14 dargestellt. Diese Signal durchläuft das verformbare Medium 10 und wird von der Kontaktfläche 8 reflektiert. Das reflektierte Signal 60' durchläuft anschließend das verformbare Medium 10 zu Teilen der Signalempfangsbereiche 52 a, 52 b, und 52 c, welche so angeordnet sind um das reflektierte Signal 60 aufzunehmen, wie in Abbildung 14 dargestellt.
Die Empfangskontrolleinrichtung 20 wählt von dem Signalempfänger 14 einen Signalempfangsbereich (Spalte), z. B. 52 b, welcher in Verbindung mit dem gewählten Signalerzeugungsbereich 36 eine Kreuzfeldüberschneidung definiert, wofür eine Kraftkomponente berechnet wird. Sobald das Signal von der Kontaktfläche 8 des verformnbaren Mediums 10 reflektiert ist, wie in Abbildung 1 4 dargestellt, wird es von jeder Spalte 52 a, 52 b und 52 c des Signalempfangsbereichs empfangen. Die piezoelektrische Schicht in den Signalempfangsbereichentransformiert das reflektierte akustische Signal 60' in ein elektrisches Signal, welches von den Elektroden 40 a, 40 b, 40 c übertragen wird. Dieses elektrische Signal ist das Kennungssignal. Das Kennungssignal, welches von der Elektrode 40 b des ausgewählten Signalempfangsbereiches 52 b übertragen wird, wird anschließend von der Empfangskontrolleinrichtung 20 erfaßt. Sobald das Kennungssignal erfaßt wurde, kann die Übertragungszeit des Signals von dem ausgewählten Signalübertragungsbereich 36 zum ausgewählten Signalempfangsbereich gemessen werden mit Hilfe des Kräftemeßgerätes durch Aktivieren der Zeitmessung und Signalerfassung. Eine Änderung dieser Entfernung infolge einer Kraft 62, welche auf das verformbare Medium aufgebracht wurde, hat eine Änderung der Übertragungszeit des Signals zum Ergebnis. Das Kräftemeßgerät kann anschließend die Übertragungszeit t&sub2; benutzten um die Kraftkomponente für die ausgewählte Kreuzfeldüberschneidung zu berechnen, wie oben bereits beschrieben.
Auf diese Weise kann jede Kreuzfeldüberschneidung abwechselnd gewählt und die Kraftkomponente für jede gewählte Kreuzfeldüberschneidung bestimmt (berechnet) werden, um ein Muster oder eine Vielzahl von Kraftkomponenten, welche auf die Kontaktfläche 8 aufgebracht wurden, zu bestimmen. Diese Bestimmung ergibt einen Aufschluß der Verteilung der Kraftkomponenten entlang der Kontaktfläche 8. Für ein typisches verformbares Medium 10 aus Gummi mit einer Dicke von etwa 3 mm beträgt die Übertragungszeit des akustischen Signals etwa 4 bis 6 Mikrosekunden. Mit Hilfe der gegenwärtig verfügbaren Technologie kann eine Kraftmessung von jeder der Kreuzfeldüberschneidungen des Kraftsensors 100 mal pro Sekunde erhalten werden für Sensoren, die 256 Kreuzfeldüberschneidungen besitzen. Folglich können die auf die Kontaktfläche 8 aufgebrachten Kraftkomponenten wiederholt bestimmt werden, indem man wiederholt die Kraftkomponente für jede Kreuzfeldüberschneidung ermittelt. Somit ist es möglich durch wiederholtes Auswählen einzelner Kreuzfeldüberschneidungen und Ermittlung der Kraftkomponenten hierfür, die Kraftkomponentenveränderung mit der Zeit zu messen.
Somit kann die Zeitsequenz der aufgebrachten Kraftkomponentenmuster für einen Kraftsensor beobachtet und aufgezeichnet werden. Die Zeitsequenz der aufgebrachten Kraftkomponentenmuster kann zum Beispiel genutzt werden um die sich verändernde Kraftverteilung am Fuß einer gehenden Person aufzuzeigen oder um anzuzeigen, daß ein erfaßtes Objekt im Begriff ist der Hand des Roboters zu entgleiten.
Die vorausgegangene Beschreibung unserer Erfindung sowie die Zeichnungen illustrieren die Beschaffenheit, Innovationen und Vorteile unserer Erfindung derart, daß andere Personen leicht eine solche Erfindung modifizieren und/oder für verschiedene Anwendungen anpassen können, ohne von den allgemeinen Konzepten abzuweichen. Daher sind solche Anpassungen und Modifikationen in der Begriffsbestimmung und dem Bereich der Ansprüche, wie im folgenden angeführt, eingeschlossen und beabsichtigt, wobei diese Ansprüche die wichtige Materie meiner Erfindung beschreiben.

Claims

1. Kraftsensor, aufweisend

ein deformierbares Medium (10), welches eine reflektierende Kontaktoberfläche (8) aufweist, wobei das deformierbare Medium in Reaktion auf eine Kraft deformierbar ist, die auf die reflektierende Kontaktoberfläche (8) einwirkt;

einen Signalerzeuger (12), der mindestens einen Signalerzeugungsbereich (36) aufweist, wobei der Signalerzeugungsbereich (36) dazu eingerichtet ist, ein Signal zu erzeugen und dieses Signal auf die Kontaktoberfläche (8) zu übertragen;

eine Erzeugungs-Steuereinrichtung (18) zum selektiven Aktivieren einer der Signalerzeugungsbereiche (26), um den aktivierten Signalerzeugungsbereich (36) zum Erzeugen des Signals zu veranlassen;

einen Signalempfänger (14), der mindestens einen Signalempfangsbereich (52) aufweist, wobei der Signalempfangsbereich dazu eingerichtet ist, das Signal nach Reflektion von der Kontaktoberfläche (8) zu empfangen und danach ein Detektionssignal in Rekation auf den Empfang des Signals zu erzeugen; wobei das deformierbare Medium (10), der Signalerzeugungsbereich (36) und der Signalempfangsbereich (52) relativ zueinander so angeordnet sind, daß eine Deformation des deformierbaren Mediums (10) die Entfernung verändert, die von dem Signal durchlaufen wird zwischen dem Signalerzeugungsbereioh (36), der das Signal erzeugt hat, und dem Signalempfangsbereich (52), der das Sgnal empfangen hat;

eine Empfangs-Steuereinrichtung (20) zum Detektieren des Detektionssignals, welches von einem vorgewählten Signalempfangsbereich (52) erzeugt wurde;

eine Kraftbestimmungseinrichtung (22) zum Messen des Zeitintervalls zwischen der Aktivierung des ausgewählten Signalerzeugungsbereich (36) durch die Erzeugungs- Steuereinrichtung (18), um das Signal zu erzeugen und für die Detektion durch die Empfangs-Steuereinrichtung (20);

dadurch gekennzeichnet, daß

der Signalerzeugungsbereich (36) vom Signalempfangsbereich (52) elektrisch isoliert ist; und

der mindestens eine Signalerzeugsungsbereich (36) zwischen der Kontaktoberfläche (8) und dem mindestens einen Signalempfangsbereich (52) angeordnet ist, wodurch das Signal, das vom Signalerzeugungsbereich (36) erzeugt wurde, durch den Signalerzeugungsbereich (36) läuft, nachdem das Signal von der Kontaktoberfläche (8) reflektiert wurde und bevor das Signal vom ausgewählten Signalempfangsbereich (52) empfangen wurde; und

daß der mindestens eine Signalerzeugungsbereich (36) mit dem mindestens einen Signalempfangsbereich (52) überlappt um mindestens eine Feldüberschneidung zu bilden, wobei die Auswahl und die Aktivierung des mindestens einen Signalerzeugungsbereiches (36) und die Auswahl des einen Signalempfangsbereich (52) eine ausgewählte Feldüberschneidung ergibt.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem die Signalerzeugungsbereiche in mehreren ersten Sätzen angeordnet sind, wobei jeder erste Satz mehrere Signalerzeugungsbereiche aufweist; die Signalempfangsbereiche in mehreren zweiten Sätzen angeordnet sind, wobei jeder zweite Satz mehrere Signalempfangsbereiche aufweist, wobei der erste Satz relativ zum zweiten Satz angeordnet ist, wodurch mehrere Signalerzeugungsbereiche mit mehreren Signalempfangsbereichen überlappen, wobei jeder Signalerzeugungsbereich mit einem entsprechenden der Signalempfangsbereiche überlappt.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem Signalerzeugungsbereich (36) und dem Signalempfangsbereich (52) eine Isolationsschicht (36) angeordnet ist.

4. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem die Kraftbestimmungseinrichtung (22) außerdem eine Einrichtung zum Bestimmen einer Kraftkomponente für eine Feldüberschneidung des Signalerzeugungsbereiches (36) und des Signalempfangsbereiches (52) aufweist.

5. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Signalerzeugungsbereich (36) ein Ultraschallwandler ist.

6. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Signalempfangsbereich (52) ein Ultraschallwandler ist.

7. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem das Signal ein optisches Signal ist.

8. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem die Signalerzeugungsbereiche (36) in Form von Reihen angeordnet sind, die zueinander im wesentlichen parallel verlaufen; und die Signalempfangsbereiche in Form von Spalten angeordnet sind, die zueinander im wesentlichen parallel verlaufen.

9. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Signalerzeugungsbereiche (36) in Schichten angeordnet sind, wobei jede Schicht mindestens einen der Signalerzeugungsbereiche (36) umfaßt.

10. Kraftsensor nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Signalempfangsbereiche (52) in Schichten angeordnet sind, wobei jede Schicht mindestens einen der Signalerzeugungsbereiche (36) umfaßt.

11. Kraftsensor nach Anspruch 9, bei dem die Signalerzeugungsschichten (14) in überlappender Richtung angeordnet sind.

12. Kraftsensor nach Anspruch 10, bei dem die Signalempfangsschichten (14) in überlappender Richtung angeordnet sind.

13. Kraftsensor nach Anspruch 12, bei dem die überlappenden Signalempfangsschichten akustisch in Serie liegen.

14. Verfahren zum Bestimmen von Kraftkomponenten einer auf eine Kontaktoberfläche (8) eines deformierbaren Mediums (10) ausgeübten Kraft, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß man

mehrere Signalempfangsbereiche (52) beabstandet von der Kontaktoberfläche (8) anordnet;

mehrere Signalerzeugungsbereiche (36) vorsieht, wobei jede der Signalerzeugungsbereiche (36) zwischen der Kontaktoberfläche (8) und einer der Signalempfangsbereiche (52) angeordnet ist;

den Signalerzeugungsbereich mit Hilfe einer Erzeugungs-Steuereinrichtung (18) auswählt und den ausgewählten Signalerzeugungsbereich (36) aktiviert, um ein Signal zu erzeugen;

den Signalempfangsbereich (52) mit Hilfe einer Empfangs-Steuereinrichtung (20) auswählt;

das Signal vom ausgewählten Signalerzeugungsbereich (36) zu einem der Signalempfangsbereiche überträgt, indem man das Signal von der Kontaktoberfläche (8) reflektiert und das Signal anschließend durch den ausgewählten Signalerzeugungsbereich (36) leitet;

durch den einen Signalempfangsbereich (52) ein Detektionssignal in Reaktion auf den Empfang des Signals durch den einen Signalempfangsbereich (52) erzeugt;

den Signalempfangsbereich (52) mit Hilfe der Empfangs-Steuereinrichtung (20) auswählt;

das Detektionssignal durch die Empfangs-Steuereinrichtung (20) empfängt;

die Laufzeit des Signals vom ausgewählten Signalerzeugungsbereich (36) zum ausgewählten Signalempfangsbereich (52) über die Kontaktoberfläche bestimmt, indem man das Zeitintervall mißt zwischen der Aktivierung des ausgewählten Signalempfangsbereichs und dem Empfang des Detektionssignals durch die Empfangs-Steuereinrichtung.

15. Verfahren nach Anspruch 14, weiter aufweisend den Schritt, daß man eine Kraftkomponente für eine Feldüberschneidung des ausgewählten Signalerzeugungsbereichs (36) und des Signalempfangsbereichs (52) auf der Grundlage der Laufzeit bestimmt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem man die Schritte für mehrere unterschiedliche Feldüberschneidungen der Signalerzeugungsbereiche (36) und der Signalempfangsbereiche (52) wiederholt, um mehrere der Kraftkomponenten über die Kontaktoberfläche (8) zu bestimmen.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem man die Schritte für einzelne Feldüberschneidungen wiederholt, um die zeitliche Veränderung der Kraftkomponenten zu messen.