EP1969332A2 - Messvorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung

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Publication number
EP1969332A2
EP1969332A2 EP07815152A EP07815152A EP1969332A2 EP 1969332 A2 EP1969332 A2 EP 1969332A2 EP 07815152 A EP07815152 A EP 07815152A EP 07815152 A EP07815152 A EP 07815152A EP 1969332 A2 EP1969332 A2 EP 1969332A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
measuring device
carrier layer
sensor
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07815152A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Tanda
Marjanovic Nenad
Alberto Montaigne
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plastic Electronic GmbH
Original Assignee
Plastic Electronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from AT0173906A external-priority patent/AT504406B1/de
Application filed by Plastic Electronic GmbH filed Critical Plastic Electronic GmbH
Publication of EP1969332A2 publication Critical patent/EP1969332A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/146—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors for measuring force distributions, e.g. using force arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/205—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using distributed sensing elements

Definitions

  • the invention relates to a measuring device comprising at least one planar sensor and an evaluation device for determining a force acting on a predefinable section of the planar sensor, wherein the planar sensor comprises at least one
  • Support layer of a flexible, electrically charged and elastically recoverable deformable polymer foam, an electrode assembly and optionally a read-out comprises and wherein the carrier layer has a first and second bearing surface which are substantially parallel to each other and spaced apart by the thickness of the carrier layer and the Electrode assembly is applied directly to the two bearing surfaces of the carrier layer and at least one electrode formed by a conductive layer and optionally the read-out device comprises at least one, formed of electronic components switching matrix, each electrode is connected by means of an insulated, electrically conductive connection line with the read-out device and wherein the evaluation device is connected to the read-out device via a connecting means and in response to the change in the relative position of the electrodes in the up Position of the support layer perpendicular direction produces different output signals.
  • the invention also relates to a method for producing the measuring device, which comprises at least one planar sensor and wherein the planar sensor comprises at least one carrier layer of a flexible, electrically charged and elastically recoverable deformable polymer foam, an electrode assembly and a read-out device and wherein the carrier layer a has first and second bearing surface, which are substantially parallel to each other and are spaced apart over the thickness of the carrier layer and the electrode assembly is applied directly to the two bearing surfaces of the carrier layer and at least one, formed by a conductive layer electrode and wherein the electrodes on the Contact surfaces are printed and / or vapor-deposited and the read-out device comprises at least one switching matrix formed from electronic components, each electrode being connected by means of an insulated, electrically conductive connection lead.
  • the invention relates to the use of the measuring device for measuring a force acting on a predefinable portion of a planar sensor and a method for measuring a force acting on a predefinable portion of a planar sensor.
  • Devices are known from the prior art, which generate an electrical output signal when a force acts on a predefined section of a planar sensor arrangement on the electrodes mounted directly on the sensor arrangement.
  • devices which consist of a piezoelectric or ferroelectric see foam material and directly attached electrode assemblies and where the individual electrodes of the electrode assemblies are connected to an evaluation device.
  • a force acting on such a device causes a change in the physical properties of the foam material, thereby measuring at the electrodes, for example, a change in electrical resistance or a low voltage pulse load.
  • a disadvantage is that the evaluation device must continuously monitor for each electrode of the first electrode assembly sequentially all the electrodes of the second electrode assembly in order to be able to provide a corresponding output signal for further processing in a self-adjusting change in the physical properties of the foam material. Continuous monitoring requires permanent power, which is detrimental to the life of non-permanently powered equipment.
  • matrix-type electrode arrangements are known from the prior art, in which the electrodes are strip-shaped and arranged in the two parallel layers of the support surface of the foam material rotated by 90 ° to each other. To determine the position of an acting force, it is therefore necessary that the evaluation continuously and alternately checks all the electrodes of the two layers, so as to detect a change in the physical properties of the located between the electrodes foam material.
  • the planar electrodes are therefore located on the outer sides of the two polymer layers facing away from the insulating layer.
  • a structured layer is applied to the two outer sides of the sensor arrangement.
  • recesses are mounted, for example, to allow the pressure elements of a keyboard contact with the sensor array.
  • the two surface electrodes are connected to a defined electrical potential, preferably ground, and that each of the strip electrodes is connected to an evaluation device via a selection device.
  • the evaluation device To determine a force effect or a pressure point, the evaluation device must therefore check, for each strip electrode of the first electrode arrangement, all strip electrodes of the second electrode arrangement rotated by 90 ° in order to be able to determine a resulting change in the physical properties. This process must be repeated continuously for all strip electrodes of the two electrode arrangements.
  • WO 2005/068961 A1 discloses a sensor arrangement in which a sensor element is formed in that a pressure-sensitive material is applied between two electrode arrangements applied to the bearing surfaces of a carrier layer.
  • the individual sensor elements are freely movable within certain limits independently of one another and in the plane of the sensor arrangement. This achieves the greatest possible adaptation to irregularly shaped documents.
  • Another disclosed embodiment allows movement of the sensors also in the direction perpendicular to the plane of the sensor elements.
  • the electrically conductive leads to the individual sensor elements are formed spirally and the carrier material is cut along this spiral. The length of the supply line therefore determines the mobility of the sensor element.
  • the individual sensor elements connecting lines are in turn formed in a matrix, as column and row connections. To determine the position are therefore also here continuously and repeatedly checking, for each column connection, all row connections to detect a resulting change in the physical properties of the pressure-sensitive material.
  • the transmitter is formed from a plurality of piezoelectric (active) dielectric (inactive layers), wherein the piezoelectric effect can be influenced in a targeted manner by applying structured printed conductors, which are preferably produced photolithographically, to the surface of the transducer
  • piezoelectric transducers can be used to form a device that is suitable for active vibration control .
  • Displaced piezoelectric transducers can also be used to selectively move or press a structure by impressing a time-variable polarization profile.
  • US 2007/0186677 A1 discloses a contactlessly operating force sensor, in which a force acting on the sensor causes a change in the resonant properties of a resonant circuit.
  • the sensor is formed by a flexible substrate, wherein on a non-conductive layer applied thereto, a piezoresistive material, for example, an n-doped semiconductive material is applied.
  • the application is effected by a vapor deposition method known from semiconductor production with photolithographic structuring steps. Deformation of the sensor leads to a change in the electrical resistance of the electrode arrangement.
  • the known devices have the particular disadvantage that the production is complicated because, for example, vapor deposition and photolithographic processes are required, or the materials used have only a low sensitivity, which necessitates costly downstream processing.
  • the object of the present invention is to provide a measuring device for determining locally distributed acting forces, which can be flexibly adapted to structural conditions and has a low energy consumption.
  • the object of the invention is also to achieve a simple and cost-effective to provide the measuring device that results in a high sensitivity is achieved.
  • the object of the invention is in each case independently solved by
  • the evaluation device is designed for activation by a voltage pulse
  • a measuring device is used for measuring a force acting on a predefinable section of a planar sensor
  • the evaluation device is activated by a force acting on a portion of the areal sensor.
  • a further advantage of an embodiment according to the invention is that the selection of the electrodes already takes place at the sensor, as a result of which the number of connecting lines from the sensor to the evaluation device is reduced.
  • an electrically charged polymer foam is used as the carrier layer of a planar sensor, a force acting on a predefinable section of the sensor, at the electrodes of the electrode assemblies applied directly to the two bearing surfaces of the carrier layer, causes a change in an electrical parameter proportional to the action of force. Due to the special physical properties of the electrically charged polymer foam, a force in particular causes a voltage pulse.
  • the evaluation device is according to the claims designed to evaluate this voltage pulse as an activation signal in order, for example, to change from a wait state to an operating state. In particular, the activation of the evaluation device, which subsequently carries out the measurement of the physical properties of the polymer foam located between the electrode arrangements, in order to determine the position and magnitude of the forces acting on them.
  • a continuous, permanently energy consuming meter tion of the physical properties is omitted in a claimed training, whereby the subject invention over the known from the prior art devices offers the significant advantage of consuming significantly less energy, which is particularly in non-connected to a permanent power supply devices in a significantly increased duration of use effect.
  • a voltage pulse at this connection causes the measuring device to change from an idle state to the active state and thereafter carry out the measurement of the physical properties of the polymer foam located between the electrodes.
  • This connection is designed so advantageous that its state does not need to be permanently queried or checked, but a voltage pulse causes an immediate activation of the evaluation.
  • the evaluation device is capable of loading process instructions stored in the memory module into the execution module and having it executed by the latter.
  • a procedure instruction serves, for example, to scan the row and column electrodes in a grid-like manner so as to determine the point of application and size of the forces acting on them.
  • the execution module generates a further-processed output signal from the changed physical parameter of the polymer foam.
  • the components of the switching matrix are formed from the group comprising semiconductors and passive electronic components, even more complex read-out circuits can be realized directly on the carrier layer of the areal sensor. This has the advantage that this reduces the number of connecting lines between read-out and evaluation and further the evaluation is simpler. In an advantageous development, for example, an alarming circuit can be implemented for early warning of possible overloading.
  • At least one semiconducting component of the switching matrix is formed as a transistor made of organic semiconductive material or amorphous silicon transistor, which can be applied to flexible, elastically recoverable deformable carrier layers, a kos- ten redesigne and realization of complex readout possible.
  • a further embodiment according to the invention has at least one, but preferably both electrode arrangements, a plurality of electrodes distributed over the contact surface of the carrier layer.
  • Particularly preferred is a design as strip electrodes, wherein the strip electrodes of the first electrode arrangement relative to the strip electrodes of the second electrode arrangement, for example, are arranged rotated by 90 °, resulting in a matrix-like arrangement as row and column electrodes.
  • a further advantage of the measuring device according to the invention is that the selection of the electrodes by the switching matrix already takes place on the planar sensor, as a result of which the number of connecting lines from the read-out device to the evaluation device is significantly reduced. Since each individual electrode is connected to the evaluation device by means of isolated connection lines via the read-out device, a surface-type sensor designed in such a way enables determination of the force and the position of acting forces distributed over the support surface of the sensor.
  • all the devices applied to the carrier layer have at least the conformability of the carrier layer, it is ensured that no deformation, in particular detachment of the applied devices, occurs when the carrier layer is deformed, for example when attached to a non-planar surface.
  • the decisive advantage is obtained that a force acting on the polymer foam causes a voltage pulse on the electrodes applied directly to the polymer foam.
  • This is a decisive advantage of the subject invention, since a permanent energy-requiring monitoring of the physical properties of the foam material is no longer required. It is particularly advantageous that a greater thickness of the polymer foam results in a greater change in the electrical characteristics of the output signal at the electrode terminals.
  • a coating of the planar sensor with a protective layer according to one of the claims 12 to 15, allows use of the subject measuring device in an environment in which an increased protection against mechanical or chemical influences is required.
  • the entire sensor and all devices mounted thereon, such as electrodes and switching matrix, are coated with the protective layer nationwide.
  • the formation of the protective layer as a non-conductive plastic makes it possible to apply it directly on the carrier layer or on the immediately attached thereto devices.
  • the particular advantage of this is that no additional measures for electrical insulation of the applied devices with each other or for electrical isolation of the sensor from the environment are required.
  • the protective layer can be water-repellent or UV-resistant.
  • the protective layer such that it also has an increased resistance to mechanical stress, e.g. Kinking, cutting, beating or chemical substances e.g. Alcohol, hydrocarbons provides.
  • the measuring device can also be used in areas where, for structural reasons, for example, no direct line-bound connection of the planar sensor to the evaluation unit is possible.
  • the readout device By forming the readout device with a connection for a bus system, several planar sensors can be interconnected to form a composite.
  • the formation of a composite of measuring devices makes it possible to design the evaluation device to a connection for a bus system.
  • the particular advantage of designing the reading device or the evaluation device tion with a connection for a bus system is then that can be easily and inexpensively build a larger measurement network of areal sensors or measuring devices. Additional components are not required in an advantageous manner.
  • the measuring device is used in a method which is used for measuring a force acting on a predefined section of a planar sensor and in which the force wine action activates the evaluation device, one obtains the particular advantage that a permanent monitoring of the physical properties of the between Electrode arrangements located polymer foam is not required. Due to the sophisticated design, it is advantageously possible to activate the evaluation device only when a force acts on a section of the planar sensor and then to carry out the measurement of the physical properties of the polymer foam.
  • a particular advantage of the present invention is obtained when the evaluation device automatically adjusts itself to an energy-saving state a predetermined time after the measurement has been carried out to determine the magnitude and position of an acting force and has a significantly reduced energy consumption in this state.
  • the power consumption in the energy-saving state is less than 250 ⁇ A.
  • the method for measuring a force can also be used in a device for determining the occupancy of bearing elements of a storage device.
  • a bearing element comprises at least one uninterrupted bearing surface, for example a shelf, or a plurality of sections separated, for example, in compartment elements of the support surface, and a control or monitoring device for evaluating the occupancy data.
  • the weight of the piece goods causes the activation of the evaluation device formed according to the invention.
  • the measuring device is capable of, for example to determine the weight, the position within the bearing element and also the shape of the bearing surface of the piece goods and to transmit to the control or monitoring device.
  • the possibility of being able to determine several shape parameters in one work step without additional devices is a decisive advantage of the present invention compared with the generally known measuring devices for determining an acting force.
  • the method for measuring a force can be used, for example, in a device for determining weight loads, in particular snow loads, on covers or roofs.
  • a device for determining weight loads in particular snow loads, on covers or roofs.
  • the planar sensor of the measuring device according to the invention is flexibly and elastically recoverable deformable and coated with a protective layer and therefore can be mounted directly on the cover or on a support surface of the cover.
  • the invention also relates to a passive force sensor which is characterized in that the polymer foam by a cellular
  • Polymer is formed, preferably from the group of closed cellular foams.
  • the significant advantage of using a cellular polymer is that the sensitivity of the passive force sensor according to the invention over known sensors can be significantly increased.
  • By selecting a corresponding cellular polymer it is possible to set the force measuring range in a targeted manner on the basis of the material properties which can be defined in terms of production technology and the associated different compressibility.
  • an acting force causes a mechanical deformation of the carrier layer, wherein a substantial deformation of the carrier layer is usually required to achieve a specific measurement excursion.
  • a carrier layer formed according to the claims from a cellular polymer now has the particular advantage that the polymer, ie the carrier layer itself, represents a significant value-determining part of the force sensor due to its special electrical properties.
  • the structure of the sensor simplifies significantly, since in contrast to the known devices, no additional carrier materials or separation layers are required.
  • the formation of the carrier layer by a cellular polymer has the further advantage that the force sensor according to the invention can be produced in a particularly simple and cost-effective manner.
  • the materials include polyethylene (PE), polyolefin, polyvinyl chloride (PVC), Polyurethane foam or ethylene-propylene-diene rubber to the group of cellular polymers.
  • the compressive strength of the foam at 50% compression is in the range between 5 kPa and 145 kPa, which means a significant widening of the measuring range in comparison to previously known materials.
  • the thickness of the carrier layer is preferably in the range between 0.1 and 8mm.
  • the claimed passive force sensor is characterized in that the electrode arrangement is designed for wireless energy and measured value transmission.
  • the force sensor is arranged in such a way that supply of the sensor with energy or transmission of the detected force values by means of a cable connection is not possible. Since an electrical energy is usually required for the measurement of a force, it is particularly advantageous if the electrical energy can be transmitted wirelessly to the passive force sensor.
  • the force sensor can be constructed in a particularly compact manner and remain essentially unlimited in use, since no electrical energy supply device such as, for example, a battery or the like is required on the force sensor.
  • the force sensor converts an acting force or a force distribution into a force-proportional measured value and this can be read out or recorded wirelessly by an evaluation device.
  • the electrode arrangement can be formed in such an advantageous manner that, on the one hand, good detection of the applied force or of the force-proportional measured value is optimally adapted to the structural conditions and, on the other hand, reliable wireless transmission of the same to the same device electrical energy or the detected force-proportional measured value is possible.
  • a correspondingly structured electrode arrangement to form a plurality of sections on the force sensor, in which an acting force can be detected.
  • the range of the wireless transmission can be determined by the specific structure of the electrode arrangement.
  • the electrically conductive layer may, for example, be formed by a lacquer which is applied by a printing process such as offset, gravure or flexographic printing, but preferably by means of screen printing.
  • a printing process such as offset, gravure or flexographic printing, but preferably by means of screen printing.
  • the person skilled in the art further manufacturing methods an electrically conductive electrode arrangement known, in particular from the field of the production of RFID structures.
  • the conductive layer is preferably about 25 microns thick and formed by a silver conductive paste having a viscosity in the range of 10Pa.s to 50Pa.s and a solids content of between 70 and 86%.
  • a silver conductive paste having a viscosity in the range of 10Pa.s to 50Pa.s and a solids content of between 70 and 86%.
  • the applied structures dry and form the conductive layer, wherein the temperature during drying is preferably below 60 ° C.
  • a cover layer is to be applied before the electrode arrangement is applied.
  • the claimed arrangement of the electrode arrangement on a flat side of the carrier layer has the particular advantage that the force sensor according to the invention can be produced in a particularly cost-effective and efficient manner in one work step.
  • a continuous process is possible, in which the cellular polymer as a film-like polymer foam on a printing device is conveyed past, wherein the Elekt- rodenan Aunt is continuously printed.
  • the design has the further advantage that the electrode arrangement adheres particularly well to the flat side of the carrier layer and thus can not come to any unwanted detachment of the electrode assembly from the carrier layer by the occurring during normal use deformations.
  • the electrode arrangement can also be applied to a separation layer, wherein the separation layer is formed, for example, by polyethylene terephthalate (PET) or polyethylene naphthalate (PEN).
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • the separation layer with the applied electrode arrangement is connected, for example, by sticking to the cellular polymer, but also a separable connection of the separation layer of the polymer foam is conceivable.
  • the advantage here is that the electrode assembly and the polymer foam material can be produced separately from each other and only at the concrete application are connected together and then form the force sensor according to the invention.
  • An electrical resonant circuit is characterized in particular by its so-called resonant frequency.
  • an electrical resonant circuit with electrical stimulation with its resonant frequency has very particularly advantageous properties, for example, the energy required to excite a resonant oscillation is very low.
  • the electrode arrangement is designed for the wireless transmission of electrical energy and a force-proportional measured value. Since the electrode arrangement also represents an essential part of the device for measuring forces, the claimed embodiment has the very special advantage that no additional components are required to supply the force sensor with electrical energy, to carry out the force measurement and to transmit the determined force value Thus, the force sensor can be made very compact. By a force acting on the sensor, there is a change in the resonant frequency of the resonant circuit, which can be determined by an evaluation device.
  • R-L-C resonant circuit in which the resistor R is formed by the sheet resistance of the conductive layer of the structured electrode arrangement applied.
  • the inductance L is formed by a coil-shaped structure, as it is known, for example. Of RFID antennas, wherein the sheet resistance of the coil should preferably be in the range of 10 to 30 ⁇ .
  • the capacitance C is further formed by interwoven formed structures, in particular so-called finger electrodes. Without additional components such as, for example, electronic components, an electrically resonant circuit can thus be built up by the structured electrode arrangement.
  • the very special advantage of the inventive force sensor is obtained when a capacitance of the resonant circuit is formed by a portion of the electrode assembly.
  • the capacity is understood to mean the total capacity that is formed by the electrode arrangement, which provides the essential contribution and by possibly existing parasitic capacitances.
  • the capacitance of the resonant circuit is preferably formed by interdigitated finger electrodes, which are arranged on a flat side of the carrier layer, wherein the electric field between the individual electrodes predominantly forms in the cellular polymer. det.
  • the portion of the electrode assembly which forms the capacitance of the resonant circuit is arranged on the carrier layer or possibly on a separation layer, but is motion-connected to the carrier layer, a force acting on the carrier layer will deform it and thus a significant change in the capacitance value of the set the required capacity. Since the capacitance is a frequency-determining component of the resonant circuit, therefore, the resonant frequency of the resonant circuit will change accordingly. In contrast to capacitor arrangements in which the electric field is formed in the air, a much greater change in capacity will result in the training according to the claims, whereby in particular the proportionality factor of the change can be adjusted by the characteristic material properties of the polymer foam, so that for a large Force measurement, a high sensitivity can train.
  • the electrode arrangement has an electromagnetic coupling element, wireless transmission of electrical energy to the force sensor according to the invention, but in particular to the resonant circuit, is possible.
  • the electromagnetic coupling member is formed inductively and thus also serves as a substantial inductance of the resonant circuit.
  • the claim is a direct supply of the resonant circuit with electrical energy and a simultaneous detection of, due to a force on the sensor changing resonant frequency possible.
  • the particular advantage of the force sensor according to the invention lies in the fact that only the polymer foam and the structurally applied electrode arrangement is required to supply the force sensor with electrical energy, to detect a force-proportional measured value and to transmit this measured value to an evaluation device, which has a very special cost advantage and a particularly simple construction of the force sensor brings with it.
  • FIG. 1 shows a planar sensor unfolded along one side edge to illustrate the electrode arrangements, without showing the foam material
  • FIG. 2 is a perspective view of the planar sensor
  • planar sensor 3 is a cutaway perspective view of the planar sensor
  • FIG. 4 is a sectional view which is not true to scale and shape according to FIG. 2, but with the protective layer applied;
  • Fig. 6 is a schematic diagram of the read-out device
  • Fig. 7 a an embodiment of a passive wireless force sensor b) and c) electrical equivalent circuits of the passive wireless force sensor.
  • planar sensor 13 shows the planar sensor 13, which is shown for illustrative purposes along a side te ⁇ kante is opened in the middle of the thickness of the polymer foam.
  • the polymer foam is not shown in this figure.
  • the figure also shows the electrode arrangements 5 applied directly to the first and second contact surface of the polymer foam.
  • the electrodes 6 of the electrode arrangement are designed as strip electrodes and twisted against one another in the plane of their contact surface, here for example by 90 °, resulting in a lattice-like arrangement of lines and column electrodes 23, 24.
  • Each individual electrode is connected to the read-out device 9 via an insulated connecting line 7.
  • planar sensors can be interconnected by means of a bus system via the terminal 10 to form a sensor network.
  • Fig. 2 shows the planar sensor 13 in a perspective view.
  • the electrodes 6 of the electrode arrangement 5 are applied to the first and second support surface 3, 4 of the polymer foam 2, for example a polypropylene foam, and are distanced from one another by the thickness 8 of the polymer foam.
  • Each individual electrode of the electrode arrangement is now connected to a read-out device 9 via an insulated connecting line 7.
  • This readout means is arranged to sequentially select, for each row electrode 23 of the first electrode array, each column electrode 24 of the second electrode array. By means of this type of electrode selection, each crossing point of the two electrode arrangements is selected once in a complete pass, and consequently the electrical properties of the polymer foam located between the two electrodes are determined.
  • Fig. 3 shows a cut-surface sensor of Figure 2, wherein the polymer foam is not shown.
  • the figure also shows the protective layer 12 which covers the entire planar sensor, including all devices mounted thereon.
  • each strip electrode can be divided into individual electrodes, but also other geometric shapes of the electrodes are possible, for example as a circular formation.
  • FIG. 4 shows a planar sensor 13 cut open in accordance with section IV from FIG. 2.
  • the row and column electrodes 23, 24 are located directly on the first and second contact surfaces. che 3, 4 of the polymer foam 2 applied.
  • a continuous circumferential protective layer 12 is applied to the entire surface of the sensor, which consists of a non-conductive plastic.
  • the protective layer covers the two bearing surfaces 3, 4, the electrodes 6 of the electrode arrangements and the front side edges 11 of the sensor.
  • the protective layer may, for example, also be formed by a non-conductive lacquer.
  • the protective layer can be formed from all those materials which can not be conducted and applied to it without mechanical or physical / chemical impairment of the planar sensor.
  • connection means 15 shows the subject measuring device 1, comprising the planar sensor 13 and an evaluation device 14, wherein the evaluation device is connected to the first read-out device 9 via a connection means 15.
  • This connection means may for example be designed as an electrically conductive connection, according to one of the claims, it may also be designed as a wireless connection.
  • a mounted on the sensor terminal 10 allows interconnection of multiple sensor elements
  • An evaluation device 14 can also be connected by connection 20 of a bus system 21 to a further measuring device 1.
  • the connection 25 is designed such that a voltage pulse is caused by a force acting on the planar sensor becomes, the evaluation unit
  • the execution module 27 is thereby shifted from an energy-saving state into an operating state, whereupon the latter executes a flow instruction stored in the memory module 26 and preferably carries out the measurement of the physical properties of the polymer foam so as to determine the position and magnitude of the acting force and at the signal output 28 to provide for further processing.
  • Fig. 6 shows the electrode arrangements with the row and column electrodes 23, 24.
  • the foam material located between the electrode assemblies 5 is represented in this figure, by its physical properties, by individual capacitances 30, each at the point of a row and column electrode Both of these are effective or measurable.
  • Each individual electrode is connected to the switching matrix 17 via a connecting line.
  • the transistors 34 of the switching matrix connect one row electrode 23 in sequence to a frequency generator 29, for example an oscilloscope. lator.
  • the row electrode Rj is connected to the frequency generator, while all other row electrodes are connected to ground potential.
  • all the column electrodes 24 are connected in succession to a readout amplifier 31. Again, the unselected column electrodes are connected to ground potential.
  • the column electrode Ck is connected to the sense amplifier, therefore, the frequency-influencing effect of the capacitance C R J C I C at the intersection of the selected row and column electrodes is measured.
  • a filter 32 follows, which removes the frequency component of the frequency generator, since the measurement frequency is no longer required for the measurement of the change in the capacitance C R J C I C.
  • the maximum value of the force-proportional voltage change at the output of the filter determined by the peak value detector 33 is converted by the evaluation device into a further processable output signal.
  • FIG. 7a shows the passive force sensor 40 according to the invention.
  • the electrode arrangement 41 which is formed by an electrically conductive layer, is applied to a first contact surface 3 of the cellular polymer 2.
  • the electrode arrangement is formed as interdigitated finger electrodes, in the outer region, the electrode assembly is formed coil-shaped.
  • FIG. 7b shows the electrical equivalent circuit diagram of the force sensor 40 from FIG. 7a.
  • the inductive electromagnetic coupling member 42 is formed by the coil-shaped structuring of the electrode assembly 41.
  • the capacitance 43 is formed by the interdigitated structured finger electrodes, in particular, it is a so-called inter-digital capacity.
  • the series resistor 44 is formed by the electrical resistivity of the structured electrode assembly, but the proportion of the coupling member clearly outweighs. From the dimensions of the structures of the electrode assembly as well as from the electrical properties of the conductive layer, the skilled person can calculate in a known manner, the impedances of the components of the equivalent circuit.
  • the capacity 43 is shown as a variable capacity.
  • a force acting on the sensor 40 in the section in which the electrode arrangement 41 forms a capacitor leads to a deformation of the carrier layer 2 in the relevant embodiment. which also changes the electrical properties of the cellular polymer and thus also the value of the capacitance 43. Due to the material properties of the polymer foam, the sensitivity can now be set in a very targeted manner, so that, for example, even slight deformations lead to a large change in the capacitance value.
  • Fig. 7c shows an electrical equivalent circuit of the capacitance 43, which is formed by a series connection of a plurality of individual capacitors. Due to the structure of the electrode arrangement 41, every second finger electrode of the electrode arrangement 41 from FIG. 7c has the same potential, for example V +. The intervening finger electrodes also have the same potential, but a different value, for example V-. Due to the special electrical properties of the cellular polymer 2, an electric field is formed in the interior of the polymer 2, between the finger electrodes located at different potential, that is represented by an equivalent capacitance (Cl - CN). The series connection of these spare capacities is then combined in the sum capacity 43.
  • the capacitance 43 is a frequency-determining component of the oscillating circuit 46, this change in capacitance will also affect a change in the resonant frequency of the resonant circuit.
  • the inductively acting electromagnetic coupling element 42 is once a fixed-value frequency-determining component of the oscillating circuit 46 and, on the other hand, is designed as a receiving means for electromagnetic radiation due to its structuring.
  • An evaluation device emits an electromagnetic wave 47, wherein the frequency of the emitted wave preferably corresponds to the resonant frequency of the resonant circuit 46.
  • the shaft is received by the coupling member 42 and thus injects electrical energy into the resonant circuit 46 and stimulates this to vibrate. If the frequency of the electromagnetic wave 47 corresponds approximately to the resonant frequency of the oscillating circuit 46, the energy transmission is maximal or a minimal impedance of the electrical equivalent circuit of the force sensor is detected by the evaluating device. By a force on the sensor, the value of the capacitance 43 and thus also the resonant frequency of the resonant circuit 46 changes. The evaluation device can determine the changed resonant frequency by varying the frequency of the electromagnetic wave and thus to the infer conclusion of force effect.
  • a significant advantage of this embodiment is that the effect of the force causes a change in a capacitance, wherein the properties of the cellular polymer and the structuring of the electrode arrangement once cover a very large measuring range and, on the other hand, a large change in the capacitance value can be achieved.
  • the structure of the electrode arrangement is not limited to the embodiment shown here, in particular all structures are possible which can be represented essentially by an equivalent circuit diagram according to FIG. 7b.
  • a plurality of force application points can be clearly and distinctly monitored with a force sensor; in particular, it is possible, for example, to detect a cumulative force effect over a large area and at the same time detect local force peaks.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zum Ermitteln einer einwirkenden Kraft, welche zumindest einen flächenhaften Sensor (13) und eine Auswerteeinrichtung (14) umfasst, wobei der flächenhafte Sensor (13) zumindest eine Trägerlage aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum, eine Elektrodenanordnung, die unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebracht ist und weiters eine Ausleseeinrichtung (9) umfasst und wobei die Elektrodenanordnung zumindest eine, durch eine leitende Schicht gebildeten Elektrode umfasst und weiters die Ausleseeinrichtung (9) zumindest eine, aus elektronischen Bauelementen gebildete Schaltmatrix umfasst und wobei jede Elektrode über die Ausleseeinrichtung (9) mit der Auswerteeinrichtung (14) verbunden ist, die in Abhängigkeit von der Veränderung der relativen Position der Elektroden zueinander, unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt. Die elektronischen Bauelemente der Ausleseeinrichtung sind dabei unmittelbar auf der verformbaren, flexiblen und elastisch rückstellbaren Trägerlage angebracht.

Description

Messvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung umfassend zumindest einen flächenhaften Sensor und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln einer, auf einem vordefinierbaren Abschnitt des flächenhaften Sensors einwirkenden Kraft, wobei der flächenhafte Sensor zumindest eine
Trägerlage aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum, eine Elektrodenanordnung und gegebenenfalls eine Ausleseeinrichtung um- fasst und wobei die Trägerlage eine erste und zweite Auflagefläche aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und über die Dicke der Trägerlage voneinander distanziert sind und die Elektrodenanordnung unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebracht ist und zumindest eine, durch eine leitende Schicht gebildeten Elektrode umfasst und gegebenenfalls die Ausleseeinrichtung zumindest eine, aus elektronischen Bauelementen gebildete Schaltmatrix umfasst, wobei jede Elektrode mittels einer isolierten, elektrisch leitenden Verbindungsleitung mit der Ausleseeinrichtung verbunden ist und wobei die Auswerte- einrichtung mit der Ausleseinrichtung über ein Verbindungsmittel verbunden ist und in Abhängigkeit von der Veränderung der relativen Position der Elektroden in zur Auflagefiäche der Trägerlage senkrechten Richtung unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der Messvorrichtung, welche zu- mindest einen flächenhaften Sensor umfasst und wobei der flächenhafte Sensor zumindest eine Trägerlage aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum, eine Elektrodenanordnung und eine Ausleseeinrichtung umfasst und wobei die Trägerlage eine erste und zweite Auflagefläche aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und über die Dicke der Trägerlage voneinander distanziert sind und die Elektrodenanordnung unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebracht ist und zumindest eine, durch eine leitende Schicht gebildete Elektrode umfasst und wobei die Elektroden auf die Auflageflächen aufgedruckt und/oder aufgedampft werden und die Ausleseeinrichtung zumindest eine aus elektronischen Bauelementen gebildete Schaltmatrix umfasst, wobei jede Elektrode mittels einer isolierten, elektrisch leitenden Verbindungslei- tung mit der Ausleseeinrichtung verbunden ist und wobei die isolierte Verbindungsleitung unmittelbar auf die Auflagefläche des Polymerschaums bzw. auf die Elektrode oder Elektrodenanordnung aufgedruckt bzw. aufgedampft wird. Weiters betrifft die Erfindung die Verwendung der Messvorrichtung zum Messen einer Kraft, die auf einem vordefmierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt und ein Verfahren zum Messen einer Kraft, die auf einem vordefmierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die bei Einwirken einer Kraft auf einen vordefinierten Abschnitt einer flächenhaften Sensoranordnung, an den unmittelbar auf der Sensoranordnung angebrachten Elektroden, ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Insbesondere sind Vorrichtungen bekannt, die aus einem piezoelektrischen bzw. ferroelektri- sehen Schaummaterial und unmittelbar darauf angebrachten Elektrodenanordnungen bestehen und wo die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnungen mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sind. Eine Krafteinwirkung auf eine derartige Vorrichtung bewirkt eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des Schaummaterials, wodurch sich an den Elektroden beispielsweise eine Änderung des elektrischen Widerstandes oder ein geringer Spannungsimpuls messen last. Nachteilig ist daran, dass die Auswerteeinrichtung kontinuierlich für jede Elektrode der ersten Elektrodenanordnung sequentiell alle Elektroden der zweiten Elektrodenanordnung überwachen muss, um bei einer sich einstellenden Änderung der physikalischen Eigenschaften des Schaummaterials, ein entsprechendes Ausgangssignal für die weitere Verarbeitung zur Verfügung stellen zu können. Die kontinuierliche Überwachung benötigt perma- nent Energie, was im Hinblick auf die Betriebsdauer von nicht permanent mit Energie versorgten Geräten nachteilig ist.
Insbesondere sind aus dem Stand der Technik matrixartige Elektrodenanordnungen bekannt, bei denen die Elektroden streifenförmig ausgebildet und in den beiden parallelen Lagen der Auflagefläche des Schaummaterials um 90° zueinander verdreht angeordnet sind. Zur Ermittlung der Position einer einwirkenden Kraft ist es daher erforderlich, dass die Auswerteeinrichtung kontinuierlich und wechselweise alle Elektroden der beiden Lagen überprüft, um so eine Änderung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektroden befindlichen Schaummaterials zu erfassen.
Aus der US 4,328,441 A ist eine dreilagige, aus zwei piezoelektrischen Polymerschichten und einer Isolierschicht bestehende Sensoranordnung bekannt. Auf jeder Auflagefläche der piezoelektrischen Polymerschicht sind unmittelbar mit dieser verbundene, elektrisch leitende Lagen aufgebracht, wobei jeweils eine erste Lage als Flächenelektrode und die zweite Lage als Streifenelektrode ausgebildet ist. Die erste und zweite piezoelektrische Polymerschicht mit den jeweils aufgebrachten elektrisch leitenden Lagen wird nun so angeordnet, dass die beiden Streifenelektroden einander gegenüber liegen und in ihrer parallel zur Auflagefläche liegenden Ebene um 90° gegeneinander verdreht sind. Zwischen diesen beiden Polymerschichten ist weiters eine Isolierschicht angeordnet, wobei die beiden Auflageflächen der Isolierschicht mit den auf der Auflagefläche der ersten und zweiten Polymerschicht aufgebrachten Streifenelektroden unmittelbar verbunden sind. Auf den, der Isolierschicht abgewandten äußeren Seiten der beiden Polymerschichten, befinden sich daher die flächenhaften Elektroden. Als mechani- sehen Schutz wird an den beiden Außenseiten der Sensoranordnung eine strukturierte Schicht angebracht. In dieser Schicht sind Aussparungen angebracht, um z.B. den Druckelementen einer Tastatur den Kontakt mit der Sensoranordnung zu ermöglichen. Weiters wird beschrieben, dass die beiden Flächenelektroden mit einem definierten elektrischen Potential, vorzugsweise Masse, verbunden werden und dass jede der Streifenelektroden über eine Auswahlein- richtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden wird. Zur Ermittlung einer Krafteinwir- kung bzw. eines Druckpunkts muss die Auswerteeinrichtung demnach für jede Streifenelektrode der ersten Elektrodenanordnung, alle Streifenelektroden der um 90° verdrehten, zweiten Elektrodenanordnung überprüfen, um eine sich ergebende Änderung der physikalischen Eigenschaften feststellen zu können. Dieser Vorgang muss kontinuierlich für alle Streifenelekt- roden der beiden Elektrodenanordnungen wiederholt werden.
Die WO 2005/068961 Al offenbart eine Sensoranordnung bei der ein Sensorelement dadurch gebildet ist, dass zwischen zwei auf den Auflageflächen einer Trägerlage aufgebrachten Elektrodenanordnungen ein druckempfindliches Material angebracht ist. Die einzelnen Sensorele- mente sind unabhängig voneinander und in der Ebene der Sensoranordnung in gewissen Grenzen frei beweglich. Dadurch ist eine größtmögliche Anpassung an unregelmäßig geformte Unterlagen erreichbar. Eine weitere offenbarte Ausbildung ermöglicht eine Bewegung der Sensoren auch in Richtung senkrecht zur Ebene der Sensorelemente. Um die freie Beweglichkeit zu ermöglichen, sind die elektrisch leitenden Zuleitungen zu den einzelnen Sensorelementen spiralförmig ausgebildet und das Trägermaterial ist entlang dieser Spirale ausgeschnitten. Die Länge der Zuleitung legt daher die Beweglichkeit des Sensorelements fest. Die einzelnen Sensorelemente verbindenden Leitungen sind wiederum in einer Matrix, als Spalten- und Zeilenverbindungen, ausgebildet. Zur Positionsbestimmung sind daher auch hier kontinuierlich und wiederholend für jede Spaltenverbindung alle Zeilenverbindungen zu prüfen, um eine sich ergebende Änderung der physikalischen Eigenschaften des druckempfindlichen Materials feststellen zu können.
Aus der US 2003/0146675 Al ist ein piezoelektrischer Messumformer bekannt. Der Messumformer ist dabei aus einer Mehrzahl von piezoelektrischen (aktiven) dielektrischen (inaktiven Schichten gebildet, wobei der piezoelektrischen Effekt gezielt dadurch beeinflusst werden kann, indem auf der Oberfläche des Messumwandlers strukturierte Leiterbahnen aufgebracht sind, die bevorzugt fotolithografisch hergestellt werden. Durch Optimierung der Anordnung der piezoelektrischen Messumwandler lässt sich bspw. eine Vorrichtung ausbilden, die zur aktiven Schwingungskontrolle geeignet ist. Verteilt angeordnete piezoelektrischen Umformer lassen sich weiters dazu einsetzen, durch Einprägen eines zeitveränderlichen Polarisationsprofils, eine Struktur gezielt zu bewegen bzw. zu drücken.
Ferner ist aus der US 2007/0186677 Al ein kontaktlos arbeitender Kraftsensor bekannt, bei dem eine Krafteinwirkung auf den Sensor eine Änderung der Resonanzeigenschaften eines Schwingkreises hervorruft. Der Sensor ist dabei durch ein flexibles Substrat gebildet, wobei auf eine darauf aufgebrachte nicht leitende Schicht, ein piezoresistives Material, bspw. ein n-dotiertes halbleitendes Material aufgebracht wird. Das Aufbringen erfolgt dabei durch ein, aus der Halbleiterherstellung bekanntes Aufdampfverfahren mit photolithographischen Struk- turierungsschritten. Eine Deformation des Sensors fuhrt zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der Elektrodenanordnung.
Die bekannten Vorrichtungen haben insbesondere den Nachteil, dass die Herstellung aufwän- dig ist, weil bspw. Aufdampf- und Photolithografische Prozesse erforderlich sind, oder die eingesetzten Materialien nur eine geringe Sensitivität aufweisen, was eine aufwändige nachgelagerte Aufbereitung erforderlich macht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Messvorrichtung zur Bestimmung von örtlich verteilt einwirkenden Kräften zu schaffen, die sich flexibel an bauliche Gegebenheiten anpassen lässt und die einen geringen Energieverbrauch aufweist.
Insbesondere liegt die Aufgabe der Erfindung auch darin, eine einfach und kostengünstig her- zustellende Messvorrichtung dahingehend auszubilden, dass eine große Empfindlichkeit erzielt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird jeweils eigenständig dadurch gelöst, dass
• die elektronischen Bauelemente unmittelbar auf der verformbaren, flexiblen und elastisch rückstellbaren Trägerlage angebracht sind
• der Auswerteeinrichtung zur Aktivierung durch einen Spannungsimpuls ausgebildet ist
• die elektronischen Bauteile unmittelbar auf der Trägerlage aufgebracht werden • eine Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Messen einer Kraft, die auf einem vordefinierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt, verwendet wird
• die Auswerteeinrichtung durch eine Kraftein Wirkung auf einen Abschnitt des flächenhaf- ten Sensors aktiviert wird.
Dadurch, dass die elektronischen Bauteile der Schaltmatrix der Ausleseeinrichtung bereits unmittelbar am flächenhaften Sensor angebracht sind, bzw. durch ein anspruchsgemäßes Verfahren aufgebracht werden, erreicht man einen besonders kompakten bzw. Platz sparenden Aufbau des Sensors. Ein weiterer Vorteil einer anspruchsgemäßen Ausbildung ist, dass die Auswahl der Elektroden bereits am Sensor geschieht, wodurch sich die Anzahl der Verbin- dungsleitungen vom Sensor zur Auswerteeinrichtung reduziert.
Wird als Trägerlage eines flächenhaften Sensors ein elektrisch geladener Polymerschaum eingesetzt, bewirkt eine Krafteinwirkung auf einen vordefinierbaren Abschnitt des Sensor, an den Elektroden der unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebrachten Elektrodenanordnungen, eine der Krafteinwirkung proportionale Änderung einer elektrischen Kenngröße. Durch die speziellen physikalischen Eigenschaften des elektrisch geladenen Polymerschaums bewirkt eine Krafteinwirkung insbesondere einen Spannungsimpuls. Die Auswerteeinrichtung ist anspruchsgemäß dazu ausgebildet, diesen Spannungsimpuls als ein Aktivierungssignal auszuwerten um beispielsweise aus einem Wartezustand in einen Betriebszu- stand zu wechseln. Insbesondere bewirkt die Aktivierung der Auswerteeinrichtung, das diese hernach die Messung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektrodenanordnungen befindlichen Polymerschaums durchführt um so Position und Größe von einwirkenden Kräften zu bestimmen. Eine kontinuierliche, permanent Energie verbrauchende Mes- sung der physikalischen Eigenschaften entfällt bei einer anspruchsgemäßen Ausbildung, wodurch die gegenständliche Erfindung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen den bedeutenden Vorteil bietet, deutlich weniger Energie zu verbrauchen, was sich insbesondere bei nicht an eine permanente Energieversorgung angeschlossenen Geräten in einer deutlich erhöhten Einsatzdauer auswirkt.
Weist die Auswerteeinheit anspruchsgemäß einen Anschluss zur Aktivierung auf, bewirkt ein Spannungsimpuls an diesem Anschluss, dass Messvorrichtung aus einem Ruhezustand in den aktiven Zustand wechselt und hernach die Messung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektroden befindlichen Polymerschaums durchfuhrt. Dieser Anschluss ist derart vorteilhaft ausgeführt, dass dessen Zustand nicht permanent abgefragt bzw. überprüft werden muss, sondern ein Spannungsimpuls bewirkt eine unmittelbare Aktivierung der Auswerteeinrichtung.
Durch eine anspruchsgemäße Ausbildung der Auswerteinrichtung mit einem Speichermodul und einem Ausfuhrungsmodul ist die Auswerteeinrichtung in der Lage, im Speichermodul hinterlegte Ablaufanweisungen in das Ausführungsmodul zu laden und von diesem ausführen zu lassen. Eine derartige Ablaufanweisung dient beispielsweise dazu, die Zeilen- und Spaltenelektroden rasterartig abzufragen um so Angriffspunkt und Größe der einwirkenden Kräfte zu ermitteln. Vom Ausführungsmodul wird aus der geänderten physikalischen Kenngröße des Polymerschaums ein weiterverarbeitbares Ausgangssignal erzeugt.
Sind die Bauteile der Schaltmatrix aus der Gruppe umfassend Halbleiter und passive elektronische Komponenten gebildet, lassen sich bereits unmittelbar auf der Trägerlage des flächen- haften Sensors auch komplexere Ausleseschaltungen realisieren. Dies hat den Vorteil, dass sich dadurch die Anzahl der Verbindungsleitungen zwischen Auslese- und Auswerteeinrichtung reduziert und weiters die Auswerteeinrichtung einfacher aufgebaut ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung lässt sich beispielsweise eine Alarmierungsschaltung zur frühzeitigen Warnung vor einer möglichen Überlastung realisieren.
Ist zumindest ein halbleitendes Bauelement der Schaltmatrix als ein, aus organischem halbleitenden Material aufgebauter Transistor, bzw. amorpher Siliziumtransistor ausgebildet, welche auf flexiblen, elastisch rückstellbar verformbaren Trägerlagen aufbringbar sind, ist eine kos- tengünstige und Realisierung auch komplexer Ausleseeinrichtungen möglich.
Eine weitere anspruchsgemäße Ausbildung weist zumindest eine, bevorzugt jedoch beide Elektrodenanordnungen mehrere, über die Auflagefläche der Trägerlage verteilte Elektroden auf. Insbesondere bevorzugt ist eine Ausbildung als Streifenelektroden, wobei die Streifenelektroden der ersten Elektrodenanordnung gegenüber den Streifenelektroden der zweiten Elektrodenanordnung beispielsweise um 90° verdreht angeordnet sind, wodurch sich eine matrixartige Anordnung als Zeilen- und Spaltenelektroden ergibt. Bei einer Krafteinwirkung auf einen Abschnitt des flächenhaften Sensors, ist an den Elektroden im Abschnitt der Kraft- einwirkung eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften messbar. Ein weiterer Vorteil der anspruchsgemäßen Messvorrichtung ist, dass durch die Schaltmatrix die Auswahl der Elektroden bereits am flächenhaften Sensor erfolgt, wodurch sich die Anzahl der Verbindungsleitungen von der Ausleseeinrichtung zur Auswerteeinrichtung deutlich reduziert. Da weiters jede einzelne Elektrode mittels isolierter Verbindungsleitungen über die Ausleseeinrichtung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, ermöglicht ein derart bevorzugt ausgebildeter flä- chenhafter Sensor die Bestimmung der Kraft und der Position von über die Auflagefiäche des Sensors verteilten einwirkenden Kräften.
Haben alle auf der Trägerlage aufgebrachten Einrichtungen zumindest die Formanpassungs- fähigkeit der Trägerlage ist sichergestellt, dass es bei einer Verformung der Trägerlage, beispielsweise beim Anbringen an eine nicht ebene Fläche, zu keiner Beschädigung, insbesondere Ablösung der aufgebrachten Einrichtungen kommt.
Wird der Polymerschaums aus der Gruppe der geschlossenen Zellularschäume ausgewählt bzw. weist der Polymerschaum einen anspruchsgemäßen quasistatischen piezoelektrischen Koeffizienten auf, erhält man den entscheidenden Vorteil, dass eine Krafteinwirkung auf den Polymerschaum, einen Spannungsimpuls an den, unmittelbar am Polymerschaum aufgebrachten, Elektroden bewirkt. Dies ist ein entscheidender Vorteil der gegenständlichen Erfindung, da dadurch eine permanent Energie benötigende Überwachung der physikalischen Eigen- Schäften des Schaummaterials nicht mehr erforderlich ist. Insbesondere von Vorteil ist, dass eine größere Dicke des Polymerschaums, an den Elektrodenanschlüssen eine größere Änderung der elektrischen Kenngrößen des Ausgangssignals ergibt. Eine Beschichten des flächenhaften Sensors mit einer Schutzschicht gemäß einem der An- sprüche 12 bis 15, ermöglicht einen Einsatz der gegenständlichen Mess Vorrichtung in einer Umgebung in der ein erhöhter Schutz vor mechanischen bzw. chemischen Einflüssen erforderlich ist. Der gesamte Sensor und alle darauf angebrachten Einrichtungen, beispielsweise Elektroden und Schaltmatrix, werden flächendeckend mit der Schutzschicht überzogen. Die Ausbildung der Schutzschicht als nicht leitender Kunststoff gestattet es, diese unmittelbar auf der Trägerlage bzw. auf die unmittelbar darauf angebrachten Einrichtungen aufzutragen. Der besondere Vorteil dabei ist, dass keine zusätzlichen Maßnahmen zur elektrischen Isolation der aufgebrachten Einrichtungen untereinander bzw. zur elektrischen Isolation des Sensors gegenüber der Umgebung erforderlich sind. Je nach geplanter Einsatzumgebung kann die Schutzschicht wasserabweisend bzw. UV-beständig ausgeführt sein. In einer vorteilhaften
Weiterbildung ist es weiters möglich die Schutzschicht derart auszubilden, dass sie auch eine erhöhte Widerstandsiähigkeit gegenüber mechanischer Belastung z.B. Knicken, Schneiden, Schläge bzw. chemischen Substanzen z.B. Alkohol, Kohlenwasserstoffe bietet.
Wenn die Elastizität des Polymerschaums in Richtung der Dicke der Lage höher ist als in Richtung parallel zu den Auflageflächen der Trägerlage, bewirkt eine Krafteinwirkung eine Verformung der Polymerschicht und aller unmittelbar darauf angebrachten Einrichtungen, überwiegend in Richtung der Dicke der Schicht. Da die Auswerteeinrichtung die Position und Größe einer einwirkenden Kraft aufgrund der durch die Krafteinwirkung hervorgerufenen Dickenänderung bestimmt, wird durch die anspruchgemäße Ausführung eine Verfälschung des Messergebnisses weitestgehend vermieden.
Wird die Ausleseeinrichtung zur berührungslosen Aktivierung der Auswerteeinrichtung bzw. zur berührungslosen Messwertübertragung ausgebildet, lässt sich die Messvorrichtung auch in Bereichen einsetzen, wo beispielsweise aus baulichen Gründen keine direkte leitungsgebundene Verbindung des flächenhaften Sensors mit der Auswerteinheit möglich ist.
Durch die Ausbildung der Ausleseeinrichtung mit einem Anschluss für ein Bussystem, lassen sich mehrere flächenhafte Sensoren zu einem Verbund zusammenschalten.
Die Bildung eines Verbunds von Messvorrichtungen ermöglicht die anspruchgemäße Ausbildung der Auswerteeinrichtung mit einem Anschluss für ein Bussystem. Der besondere Vorteil einer Ausbildung der Ausleseeinrichtung bzw. der Auswerteeinrich- tung mit einem Anschluss für ein Bussystem liegt dann, dass sich einfach und kostengünstig ein größerer Messverbund aus flächenhaften Sensoren bzw. aus Messvorrichtungen aufbauen lässt. Zusätzliche Komponenten sind in vorteilhafter Weise nicht erforderlich.
Wird die Messvorrichtung in einem Verfahren eingesetzt, das zum Messen einer Kraft dient, die auf einen vordefinierten Abschnitt eines flächenhaften Sensors einwirkt und bei dem die Kraftweinwirkung die Auswerteeinrichtung aktiviert, erhält man den besonderen Vorteil, dass eine permanente Überwachung der physikalischen Eigenschaften des sich zwischen den Elektrodeanordnungen befindlichen Polymerschaums nicht erforderlich ist. Durch die anspruchs- gemäße Ausbildung ist es vorteilhaft möglich, die Auswerteeinrichtung nur beim Einwirken einer Kraft auf einen Abschnitt des flächenhaften Sensors zu aktivieren und dann die Messung der physikalischen Eigenschaften des Polymerschaums durchzuführen.
Einen besonderen Vorteil der gegenständlichen Erfindung erhält man, wenn sich die Auswer- teeinrichtung eine vorgebbare Zeit nach der Durchführung der Messung zur Bestimmung der Größe und Position einer einwirkenden Kraft, selbsttätig in einen Energiesparzustand versetzt und in diesem Zustand einen deutlich reduzierten Energieverbrauch aufweist hat. Insbesondere liegt der Stromverbrauch im Energiesparzustand unter 250μA.
Durch die anspruchsgemäße Ausbildung des Verfahrens zum Messen einer Kraft erhält man als entscheidenden Vorteil eine deutliche Reduktion des Energieverbrauchs und damit einhergehend, eine deutliche Verlängerung der Einsatzdauer bei nicht permanent an eine Energiequelle angeschlossenen Geräten.
In vorteilhafter Weise lässt sich das Verfahren zum Messen einer Kraft auch in einer Vorrichtung zur Ermittlung der Belegung von Lagerelementen einer Aufbewahrungseinrichtung einsetzen. Bei einer derartigen Ausbildung, wie sie beispielsweise in einem Warenwirtschaftssystem Anwendung findet, umfasst ein Lagerelement zumindest eine nicht unterbrochene Auflagefläche, beispielsweise ein Regalboden, oder mehrere, beispielsweise in Fachelemente abgetrennte Abschnitte der Auflagefläche, sowie eine Steuer- bzw. Kontrolleinrichtung zur Auswertung der Belegungsdaten. Wird ein Stückgut ein einem Lagerelement eingelagert, bewirkt das Gewicht des Stückguts die Aktivierung der erfindungsgemäß ausgebildeten Auswerteeinrichtung. Nach der Aktivierung ist die Messvorrichtung in der Lage, beispielsweise das Gewicht, die Position innerhalb des Lagerelements und auch die Form der Auflagefläche des Stückguts zu ermitteln und an die Steuer- bzw. Kontrolleinrichtung zu übermitteln. Die Möglichkeit, mehrere Formparameter ohne zusätzliche Einrichtungen, in einem Arbeitsschritt bestimmen zu können, ist ein entscheidender Vorteil der gegenständlichen Erfindung gegen- über den allgemeine bekannten Messvorrichtungen zum Ermitteln einer einwirkenden Kraft.
In einer weiteren Ausbildung lässt sich das Verfahren zum Messen einer Kraft beispielsweise in einer Vorrichtung zur Ermittlung von Gewichtslasten, insbesondere Schneelasten, auf Abdeckungen bzw. Dächern einsetzen. Bei einer derartigen Ausbildung ist von Vorteil, dass der flächenhafte Sensor der erfindungsgemäßen Messvorrichtung flexibel und elastisch rückstellbar verformbar und mit einer Schutzschicht überzogen ist und daher direkt auf der Abdeckung bzw. auf einer Auflagerfläche der Abdeckung angebracht werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung betrifft die Erfindung auch einen passiven Kraftsensor der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Polymerschaum durch ein zelluläres
Polymer gebildet ist, bevorzugt aus der Gruppe der geschlossenen Zellularschäume. Der bedeutende Vorteil bei Verwendung eines zellulären Polymers liegt darin, dass die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen passiven Kraftsensors gegenüber bekannten Sensoren deutlich gesteigert werden kann. Durch Auswahl eines entsprechenden zellulären Polymers kann aufgrund der fertigungstechnisch festlegbaren Materialeigenschaften und damit verbundener unterschiedlicher Kompressibilität, der Kraft-Messbereich gezielt festgelegt werden. Bei bekannten Messvorrichtungen ruft eine einwirkende Kraft eine mechanische Deformation der Trägerlage hervor, wobei zur Erreichung eines spezifischen Messausschlags zumeist eine wesentliche Deformation der Trägerlage erforderlich ist. Eine anspruchsgemäß aus einem zellulären Polymer gebildete Trägerlage hat nun den besonderen Vorteil, dass das Polymer, also die Trägerlage selbst, aufgrund seiner speziellen elektrischen Eigenschaften einen wesentlichen wertbestimmenden Teil des Kraftsensors darstellt. Daher vereinfacht sich der Aufbau des Sensors deutlich, da im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen, keine zusätzlichen Trägermaterialien bzw. Separationsschichten erforderlich sind. Die Ausbildung der Trägerlage durch ein zelluläres Polymer hat den weiteren Vorteil, dass sich der erfindungsgemäße Kraftsensor besonders einfach und kostengünstig herstellen lässt.
Beispielsweise gehören die Materialien Polyethylen (PE), Polyolefin, Polyvinylchlorid (PVC), Polyurethanschaumstoff oder Ethylen-Propylen-Dien Kautschuk zur Gruppe der zellulären Polymere. Die Stauchhärte des Schaumstoffs bei 50% Stauchung liegt im Bereich zwischen 5kPa und 145kPa, was im Vergleich zu mit bisher bekannten Materialien eine wesentliche Aufweitung des Messbereichs bedeutet. Die Dicke der Trägerlage liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0.1 und 8mm.
Weiters ist der anspruchsgemäße passive Kraftsensor dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung zur drahtlosen Energie- und Messwertübertragung ausgebildet ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kraftsensor derart angeordnet ist, dass eine Versor- gung des Sensors mit Energie bzw. eine Übertragung der erfassten Kraftwerte mittels einer Kabelverbindung nicht möglich ist. Da für die Messung einer Krafteinwirkung zumeist auch eine elektrische Energie erforderlich ist, ist es von ganz besonderem Vorteil, wenn die elektrische Energie drahtlos an den passiven Kraftsensor übertragen werden kann. Durch diese Ausbildung kann der Kraftsensor besonders kompakt aufgebaut werden und im Wesentlichen un- begrenzt im Einsatz bleiben, da am Kraftsensor keine elektrische Energieversorgungseinrichtung wie bspw. eine Batterie oder ähnliches erforderlich ist. Für einen kompakten Aufbau des Kraftsensors ist es weiters von Vorteil, wenn der Kraftsensor eine einwirkende Kraft bzw. eine Kraftverteilung in einem kraftproportionalen Messwert umwandelt und dieser drahtlos von einer Auswertevorrichtung ausgelesen bzw. erfasst werden kann.
Durch strukturiertes Aufbringen einer elektrisch leitenden Schicht lässt sich die Elektrodenan- ordnung derart vorteilhaft ausbilden, dass einerseits eine optimal an die baulichen Gegebenheiten angepasste, gute Erfassung der einwirkenden Kraft bzw. des kraftproportionalen Messwerts möglich ist und andererseits, mir derselben Einrichtung eine zuverlässige drahtlose Übertragung der elektrischen Energie bzw. des erfassten kraftproportionalen Messwerts möglich ist. Bspw. ist durch eine entsprechend strukturierte Elektrodenanordnung auch möglich, am Kraftsensor mehrere Abschnitte auszubilden, in denen eine einwirkende Kraft erfassbar ist. Ebenso lässt sich durch die spezifische Struktur der Elektrodenanordnung, die Reichweite der drahtlosen Übertragung festlegen.
Die elektrisch leitende Schicht kann bspw. durch einen Lack gebildet sein, der durch ein Druckverfahren wie Offset-, Tief- oder Flexodruck aufgebracht wird, bevorzugt jedoch mittels Siebdruck. Insbesondere sind dem Fachmann jedoch weitere Verfahren zur Herstellung einer elektrisch leitenden Elektrodenanordnung bekannt, insbesondere aus dem Bereich der Herstellung von RFID-Strukturen.
Die leitfähige Schicht ist bevorzugt ca. 25 μm dick und durch eine Silberleitpaste gebildet, die eine Viskosität im Bereich von 10Pa.s bis 50Pa.s und einen Feststoffgehalt zwischen 70 und 86% aufweist. Durch Verdampfen des Lösungsmittels trocknen die aufgebrachten Strukturen und bilden die leitfähige Schicht, wobei die Temperatur während der Trocknung bevorzugt unter 60°C liegt. Insbesondere können jedoch auch Gold-, Aluminium- oder Kupferpasten gedruckt werden, wobei jedoch Aluminium- und Kupferpasten durch eine aufzubringende Pas- sivierungslage gegen Korrosion geschützt werden müssen.
Wird ein offenzelliger Polymerschaum als Trägerlage verwendet, ist vor dem Aufbringen der Elektrodenanordnung eine Decklage aufzubringen.
Die anspruchsgemäße Anordnung der Elektrodenanordnung auf einer Flachseite der Trägerlage hat den besonderen Vorteil, dass der erfindungsgemäße Kraftsensor besonders kostengünstig und rationell in einem Arbeitsschritt hergestellt werden kann .Insbesondere ist somit bspw. ein Durchlaufverfahren möglich, bei dem das zelluläre Polymer als folienartiger Polymerschaum an einer Druckvorrichtung vorbei befördert wird, wobei kontinuierlich die Elekt- rodenanordnung aufgedruckt wird.
Die Ausbildung hat den weiteren Vorteil, dass die Elektrodenanordnung besonders gut auf der Flachseite der Trägerlage haftet und es somit durch die, beim bestimmungsgemäßen Einsatz auftretenden Verformungen, zu keiner unerwünschten Ablösung der Elektrodenanordnung von der Trägerlage kommen kann.
Gemäß einer weiteren Ausbildung kann die Elektrodenanordnung aber auch auf eine Separationsschicht aufgebracht werden, wobei die Separationsschicht bspw. durch Polyethylen- terephthalat (PET) oder Polyethylennaphthalat (PEN) gebildet wird. Die Separationsschicht mit der aufgebrachten Elektrodenanordnung wird bspw. durch Aufkleben mit dem zellulären Polymer verbunden, wobei jedoch auch eine trennbare Verbindung der Separationsschicht von dem Polymerschaum denkbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass sich die Elektrodenanordnung und das Polymerschaummaterial getrennt voneinander herstellen lassen und erst bei der konkreten Anwendung miteinander verbunden werden und dann den erfindungsgemäßen Kraftsensors bilden.
Ein elektrischer Schwingkreis ist insbesondere durch seine so genannte Resonanzfrequenz charakterisiert. Wie dem Fachmann bekannt ist, hat ein elektrischer Schwingkreis bei elektrischer Anregung mit seiner Resonanzfrequenz ganz besonders vorteilhafte Eigenschaften, bspw. ist der Energiebedarf zum Anregen einer resonanten Schwingung ganz besonders gering. Erfindungsgemäß ist die Elektrodenanordnung zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie und einem kraftproportionalen Messwert ausgebildet. Da die Elektrodenanord- nung auch einen wesentlichen Teil der Einrichtung zur Krafterfassung darstellt, hat die anspruchsgemäße Ausbildung den ganz besonderen Vorteil, dass zur Versorgung des Kraftsensors mit elektrischer Energie, zur Durchführung der Kraftmessung und zur Übertragung des ermittelten Kraftwerts keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind und sich somit der Kraftsensor besonders kompakt ausbilden lässt. Durch eine Krafteinwirkung auf den Sensor kommt es zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, was von einer Auswertevorrichtung festgestellt werden kann.
Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung als R-L-C Schwingkreis, bei dem der Widerstand R durch den Bahnwiderstand der leitenden Schicht der strukturiert aufgebrachten Elektrodenan- Ordnung gebildet ist. Die Induktivität L ist durch eine spulenförmig aufgebrachte Struktur gebildet, wie sie bspw. von RFID-Antennen bekannt ist, wobei der Bahnwiderstand der Spule bevorzugt im Bereich von 10 bis 30Ω liegen sollte. Die Kapazität C ist weiters durch ineinander verschränkt ausgebildete Strukturen gebildet, insbesondere so genannte Fingerelektroden. Ohne zusätzliche Komponenten wie bspw. elektronische Bauteile lässt sich somit durch die strukturiert aufgebrachte Elektrodenanordnung ein elektrischer Schwingkreis aufbauen.
Den ganz besonderen Vorteil des erfmdungsgemäßen Kraftsensors erhält man, wenn eine Kapazität des Schwingkreises durch einen Abschnitt der Elektrodenanordnung gebildet ist. Als Kapazität wird hier die Summenkapazität verstanden, die durch die Elektrodenanordnung, die den wesentlichen Beitrag liefert und durch ggf. vorhandene parasitäre Kapazitäten gebildet ist. Die Kapazität des Schwingkreises ist bevorzugt durch ineinander verschränkte Fingerelektroden gebildet, die auf einer Flachseite der Trägerlage angeordnet sind, wobei sich das elektrische Feld zwischen den einzelnen Elektroden überwiegend im zellulären Polymer bil- det. Da sich die elektrischen Eigenschaften des zellulären Polymers gezielt einstellen lassen, lassen sich somit auch bedeutend größere Kapazitätswerte realisieren, als dies bei gleichartig ausgebildeten Kapazitäten möglich ist, bei denen sich das elektrische Feld in der Luft oder in einer Separationsschicht zwischen den Elektroden ausbildet.
Da sich der Abschnitt der Elektrodenanordnung, der die Kapazität des Schwingkreises ausbildet, auf der Trägerlage oder ggf. auf einer Separationsschicht angeordnet ist, jedoch mit der Trägerlage bewegungsverbunden ist, wird eine Krafteinwirkung auf die Trägerlage diese verformen und sich somit eine deutliche Änderung des Kapazitätswerts der anspruchsgemäßen Kapazität einstellen. Da die Kapazität eine frequenzbestimmende Komponente des Schwingkreises ist, wird sich daher auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entsprechend ändern. Im Gegensatz zu Kondensatoranordnungen bei denen sich das elektrische Feld in der Luft ausbildet, wird sich bei anspruchsgemäßer Ausbildung eine deutlich stärkere Änderung der Kapazität ergeben, wobei sich insbesondere der Proportionalitätsfaktor der Änderung durch die charakteristischen Materialeigenschaften des Polymerschaums einstellen lässt, so dass sich für einen großen Kraftmessumfang, eine hohe Sensitivität ausbilden lässt.
Weist die Elektrodenanordnung ein elektromagnetisches Koppelglied auf, ist eine drahtlose Übertragung von elektrischer Energie an den erfindungsgemäßen Kraftsensor, insbesondere jedoch an den Schwingkreis möglich. Bevorzugt ist das elektromagnetische Koppelglied induktiv ausgebildet und dient somit auch als wesentliche Induktivität des Schwingkreises. Somit ist anspruchsgemäße eine direkte Versorgung des Schwingkreises mit elektrischer Energie und eine gleichzeitige Erfassung der sich, aufgrund einer Krafteinwirkung auf den Sensor ändernden Resonanzfrequenz möglich.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftsensors liegt darin, dass zur Versorgung des Kraftsensors mit elektrischer Energie, zur Erfassung eines kraftproportionalen Messwerts und zur Übertragung dieses Messwerts an eine Auswertevorrichtung, lediglich der Polymerschaum und die strukturiert aufgebrachte Elektrodenanordnung erforderlich ist, was einen ganz besonderen Kostenvorteil und einen besonders einfachen Aufbau des Kraftsensors mit sich bringt.
Die Erfindung wird im Nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 einen, zur Darstellung der Elektrodenanordnungen entlang einer Seitenkante aufgeklappten flächenhaften Sensor, ohne Darstellung des Schaummaterials;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des flächenhaften Sensors;
Fig. 3 eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung des flächenhaften Sensors;
Fig. 4 eine nicht maßstabs- und formgetreue Schnittdarstellung gemäß Figur 2, jedoch mit aufgebrachter Schutzschicht;
Fig. 5 die Messvorrichtung, eine Zusammenschaltung mehrerer Sensoren und eine Zusammenschaltung;
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild der Ausleseeinrichtung;
Fig. 7 a) eine Ausbildung eines passiven drahtlosen Kraftsensors b) und c) elektrische Ersatzschaltungen des passiven drahtlosen Kraftsensors.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen wer- den, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Fig. 1 zeigt den flächenhaften Sensor 13, der zur anschaulichen Darstellung entlang einer Sei- teπkante in der Mitte der Dicke des Polymerschaums aufgeklappt ist. Der Polymerschaum ist in dieser Figur nicht dargestellt. Die Figur zeigt weiters die unmittelbar auf der ersten und zweiten Auflagefläche des Polymerschaums aufgebrachten Elektrodenanordnungen 5. Die Elektroden 6 der Elektrodenanordnung sind als Streifenelektroden ausgebildet und in der Ebene ihrer Auflagefläche verdreht gegeneinander angeordnet, hier beispielsweise um 90°, wodurch sich eine gitterartige Anordnung von Zeilen- und Spaltenelektroden 23, 24 ergibt. Jede einzelne Elektrode ist über eine isolierte Verbindungsleitung 7 mit der Ausleseeinrichtung 9 verbunden. Mehrere flächenhafte Sensoren lassen sich mittels eines Bussystems über den Anschluss 10 zu einem Sensorverbund zusammenschalten.
Fig. 2 zeigt den flächenhaften Sensor 13 in perspektivischer Ansicht. Die Elektroden 6 der Elektrodenanordnung 5 sind auf der ersten und zweiten Auflagefläche 3, 4 des Polymerschaums 2, beispielsweise eines Polypropylenschaums, aufgebracht und durch die Dicke 8 des Polymerschaums voneinander distanziert. Jede einzelne Elektrode der Elektrodenanord- nung ist nun über eine isolierte Verbindungsleitung 7 mit einer Ausleseeinrichtung 9 verbunden. Diese Ausleseeinrichtung ist dahingehend ausgebildet, sequentiell für jede Zeilenelektrode 23 der ersten Elektrodenanordnung, jede Spaltenelektrode 24 der zweiten Elektrodenanordnung auszuwählen. Durch diese Art der Elektrodenauswahl wird in einem vollständigen Durchlauf jeder Kreuzungspunkt der beiden Elektrodenanordnungen einmal ausgewählt und damit einhergehend die elektrischen Eigenschaften des zwischen den beiden Elektroden befindlichen Polymerschaums bestimmt.
Fig. 3 zeigt einen aufgeschnittenen flächenhaften Sensor aus Figur 2, wobei der Polymerschaum nicht dargestellt ist. Deutlich erkennbar ist hier die gitterartige Anordnung der Zeilen- und Spaltenelektroden 23, 24, die über die Dicke 8 der Trägerlage distanziert sind. Die Figur zeigt auch die Schutzschicht 12 die den gesamten flächenhaften Sensor, inklusive aller darauf angebrachten Einrichtungen bedeckt. Es ist aber auch eine andere Ausbildung der Elektroden möglich. Beispielsweise kann jede Streifenelektrode in einzelne Elektroden aufgeteilt sein, aber auch andere geometrische Formen der Elektroden sind möglich, beispielsweise als kreis- runde Ausbildung.
Fig. 4 zeigt einen flächenhaften Sensor 13 aufgeschnitten gemäß Schnitt IV aus Figur 2. Die Zeilen- und Spaltenelektroden 23, 24 sind unmittelbar auf der ersten und zweiten Auflagefiä- che 3, 4 des Polymerschaums 2 aufgebracht. Zum Schutz des Sensors vor mechanischen bzw. physikalisch/chemischen Einflüssen, ist auf der gesamten Oberfläche des Sensors eine durchgehend umlaufende Schutzschicht 12 aufgebracht, die aus einem nicht leitenden Kunststoff besteht. Insbesondere bedeckt die Schutzschicht die beiden Auflageflächen 3, 4, die Elektro- den 6 der Elektrodenanordnungen und die Stirnseitenkanten 11 des Sensors. Die Schutzschicht kann beispielsweise aber auch durch einen nicht leitenden Lack gebildet sein. Insbesondere kann die Schutzschicht aus allen jenen Materialien gebildet sein, die nicht leiten und ohne mechanische bzw. physikalisch/chemische Beeinträchtigung des flächenhaften Sensors auf diesen aufgebracht werden kann.
Fig. 5 zeigt die gegenständliche Messvorrichtung 1, umfassend den flächenhaften Sensor 13 und eine Auswerteeinrichtung 14, wobei die Auswerteeinrichtung über ein Verbindungsmittel 15 mit der ersten Ausleseeinrichtung 9 verbunden ist. Dieses Verbindungsmittel kann beispielsweise als elektrisch leitende Verbindung ausgeführt sein, gemäß einem der Ansprüche kann es aber auch als eine drahtlose Verbindung ausgebildet sein. Ein auf dem Sensor angebrachter Anschluss 10 ermöglicht eine Zusammenschaltung von mehreren Sensorelementen
13 über ein Bussystem 19 zu einem größeren Sensorverbund 18. Auch lässt sich eine Auswerteeinrichtung 14 durch Anschluss 20 eines Bussystems 21 mit einer weiteren Messvorrichtung 1 verbinden 22. Der Anschluss 25 ist derart ausgebildet, dass ein Spannungsimpuls der von einer Krafteinwirkung auf den flächenhaften Sensor hervorgerufen wird, die Auswerteeinheit
14 aktiviert. Insbesondere wird dadurch das Ausführungsmodul 27 von einem Energiesparzu- stand in einen Betriebszustand versetzt, worauf dieses eine im Speichermodul 26 hinterlegte Ablaufanweisung ausführt und bevorzugt die Messung der physikalischen Eigenschaften des Polymerschaums durchführt, um so Position und Größe der einwirkenden Kraft zu ermitteln und am Signalausgang 28 zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen.
Fig. 6 zeigt die Elektrodenanordnungen mit den Zeilen- und Spaltenelektroden 23, 24. Das sich zwischen den Elektrodenanordnungen 5 befindliche Schaummaterial ist in dieser Figur, aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, durch einzelne Kapazitäten 30 dargestellt, die jeweils am Sclinittpunlct einer Zeilen- und Spaltenelektrode zwischen diesen beiden wirksam bzw. messbar sind. Jede einzelne Elektrode ist über eine Verbindungsleitung mit der Schaltmatrix 17 verbunden. Die Transistoren 34 der Schaltmatrix verbinden aufeinander folgend jeweils eine Zeilenelektrode 23 mit einem Frequenzgenerator 29, beispielsweise einem Oszil- lator. In der Darstellung ist die Zeilenelektrode Rj mit dem Frequenzgenerator verbunden, während alle anderen Zeilenelektroden mit Massepotential verbunden sind. Für die eine ausgewählte Zeilenelektrode Rj werden in gleicher Weise, hintereinander alle Spaltenelektroden 24 mit einem Ausleseverstärker 31 verbunden. Auch hier sind die nicht ausgewählten Spalten- elektroden mit Massepotential verbunden. In der Figur ist die Spaltenelektrode Ck mit dem Ausleseverstärker verbunden, es wird daher der frequenzbeeinflussende Effekt der sich im Schnittpunkt der ausgewählten Zeilen- und Spaltenelektrode befindenden Kapazität CRJCIC gemessen. Nach dem Ausleseverstärker folgt ein Filter 32, das den Frequenzanteil des Frequenzgenerators entfernt, da für die Messung der Änderung der Kapazität CRJCIC die Messfre- quenz nicht mehr erforderlich ist. Der vom Spitzenwertdetektor 33 ermittelte Maximalwert der kraftproportionalen Spannungsänderung am Ausgang des Filters, wird von der Auswerteeinrichtung in ein weiter verarbeitbares Ausgangssignal umgesetzt.
Fig. 7a zeigt den erfindungsgemäßen passiven Kraftsensor 40. Auf einer ersten Auflagefläche 3 des zellulären Polymers 2 ist die Elektrodenanordnung 41 aufgebracht, die durch eine elektrisch leitende Schicht gebildet ist. Deutlich erkennbar sind die zwei wesentlichen Strukturen der Elektrodenanordnung. Im inneren Abschnitt ist die Elektrodenanordnung als ineinander verschränkte Fingerelektroden ausgebildet, im äußeren Bereich ist die Elektrodenanordnung spulenförmig ausgebildet.
Fig. 7b zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des Kraftsensors 40 aus Fig. 7a. Das induktive elektromagnetische Koppelglied 42 ist durch die spulenförmige Strukturierung der Elektrodenanordnung 41 gebildet. Die Kapazität 43 ist durch die ineinander verschränkt strukturierten Fingerelektroden gebildet, insbesondere handelt es sich dabei um eine so genannte inter- digitale Kapazität. Der Serienwiderstand 44 ist durch den elektrischen Bahnwiderstand der strukturierten Elektrodenanordnung gebildet, wobei jedoch der Anteil des Koppelglieds deutlich überwiegt. Aus den Abmessungen der Strukturen der Elektrodenanordnung sowie aus den elektrischen Eigenschaften der leitenden Schicht kann der Fachmann in bekannter Weise, die Impedanzen der Bauteile der Ersatzschaltung berechnen.
Im Ersatzschaltbild ist die Kapazität 43 als veränderliche Kapazität dargestellt. Eine Krafteinwirkung auf den Sensor 40 in jenem Abschnitt, in dem die Elektrodenanordnung 41 einen Kondensator ausbildet, führt zu einer Deformation der Trägerlage 2 im betreffenden Ab- schnitt, wodurch sich auch die elektrischen Eigenschaften des zellulären Polymers und damit auch der Wert der Kapazität 43 ändert. Durch die Materialeigenschaften des Polymerschaums kann nun die Sensitivität ganz gezielt eingestellt werden, so dass bspw. selbst geringe Deformationen zu einer großen Änderung des Kapazitätswerts führen.
Fig. 7c zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Kapazität 43, die durch eine Serienschaltung einer Mehrzahl einzelner Kapazitäten gebildet ist. Aufgrund der Struktur der Elektrodenanordnung 41, hat jede zweite Fingerelektrode der Elektrodenanordnung 41 aus Fig. 7c das gleiche Potenzial, bspw. V+. Die dazwischen liegenden Fingerelektroden haben ebenfalls glei- ches Potenzial, allerdings einen anderen Wert bspw. V-. Aufgrund der speziellen elektrischen Eigenschaften des zellulären Polymers 2 bildet sich im Inneren des Polymers 2, zwischen den jeweils auf unterschiedlichem Potenzial befindlichen Fingerelektroden, ein elektrisches Feld aus, dass durch eine Ersatzkapazität (Cl - CN) dargestellt wird. Die Serienschaltung dieser Ersatzkapazitäten ist dann in der Summenkapazität 43 zusammengefasst.
Durch eine Krafteinwirkung 45 kommt es zu einer lokalen Deformation des zellulären Polymers 2, wodurch sich auch die Ersatzkapazität des betroffenen Abschnitts ändern wird, was insbesondere auch eine Änderung der Summenkapazität 43 zur Folge hat. Da die Kapazität 43 ein frequenzbestimmendes Bauteils des Schwingkreises 46 ist, wird sich diese Kapazitätsän- derung auch in einer Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises auswirken. Ferner ist das induktiv wirkende elektromagnetische Koppelglied 42 einmal ein festwertiges frequenzbestimmendes Bauteils des Schwingkreises 46 und ist andererseits aufgrund seiner Strukturierung als Empfangsmittel für elektromagnetische Strahlung ausgebildet. Eine nicht dargestellte Auswertevorrichtung sendet eine elektromagnetische Welle 47 aus, wobei die Frequenz der ausgesandten Welle bevorzugt der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 46 entspricht. Die Welle wird vom Koppelglied 42 empfangen und speist somit elektrische Energie in den Schwingkreis 46 ein und regt diesen zum Schwingen an. Entspricht die Frequenz der elektromagnetischen Welle 47 annähernd der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 46, ist die Energieübertragung maximal bzw. wird von der Auswertevorrichtung eine minimale Impedanz der elektrischen Ersatzschaltung des Kraftsensors erkannt. Durch eine Krafteinwirkung auf den Sensor ändert sich der Wert der Kapazität 43 und somit auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 46. Die Auswertevorrichtung kann durch Variation der Frequenz der elektromagnetischen Welle die geänderte Resonanzfrequenz ermitteln und somit auf die aufgetretene Krafteinwirkung rückschließen.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausbildung liegt darin, dass die Krafteinwirkung eine Änderung einer Kapazität bewirkt, wobei durch die Eigenschaften des zellulären Polymers und durch die Strukturierung der Elektrodenanordnung einmal ein sehr großer Messbereich abgedeckt wird und andererseits eine große Änderung des Kapazitätswerts erzielbar ist.
Die Struktur der Elektrodenanordnung ist jedoch nicht auf die hier dargestellte Ausbildung beschränkt, insbesondere sind all jene Strukturen möglich, die sich im Wesentlichen durch ein Ersatzschaltbild nach Fig. 7b darstellen lassen. Insbesondere ist es auch möglich, zusätzlich die Impedanz des Serienwiderstands 44 und/oder des Koppelglieds 42 deformationsabhängig veränderlich auszuführen, um so eine andere Ansprechcharakteristik oder eine größere Empfindlichkeit des Kraftsensors zu erzielen. Insbesondere ist es auch möglich, die Elektrodenanordnung derart zu strukturieren, dass sich mehrere Schwingkreise ausbilden lassen, die jeweils eine unterschiedliche Resonanzfrequenz aufweisen. Somit lassen sich mit einem Kraftsensor bspw. mehrere Kraftangriffspunkte eindeutig unterscheidbar überwachen, insbesondere ist es bspw. möglich, großflächig eine Summenkrafteinwirkung zu erfassen und gleichzeitig lokale Kraftspitzen zu erfassen.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Messvorrichtung diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Be- Schreibung entnommen werden.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen. Bezugszeichenaufstellung
1 Messvorπchtung 41 Elektrodenanordnung
2 Polymerschaum 42 elektromagnetisches Koppelglied
3 Erste Auflagefläche 43 Kapazität
4 Zweite Auflagefläche 44 Widerstand
5 Elektrodenanordnung 45 Krafteinwirkung
6 Elektrode 46 Schwingkreis
7 Verbindungsleitung 47 elektromagnetische Welle
8 Dicke
9 Ausleseeinrichtung
10 Anschluss
11 Stirnseitenkante
12 Schutzschicht
13 Flächenhafter Sensor
14 Auswerteeinrichtung
15 Verbindungsmittel
16 Trägerlage
17 Schaltmatrix
18 Verbund von Sensoren
19 Bussystem
20 Anschluss
21 Bussystem
22 Verbund von Messvorrichtungen
23 Zeilenelektroden
24 Spaltenelektroden
25 Aktiviemngsanschluss
26 Speichermodul
27 Ausführungsmodul
28 Signalausgang
29 Frequenzgenerator
30 Kapazität
31 Ausleseverstärker
32 Filter
33 Spitzenwertdetektor
34 Transistor
40 passiver Kraftsensor

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Messvorrichtung (1) umfassend zumindest einen flächenhaften Sensor (13) und eine Auswerteeinrichtung (14) zum Ermitteln einer, auf einem vordefmierbaren Abschnitt des flä- chenhaften Sensors (13) einwirkenden Kraft, wobei der flächenhafte Sensor (13) zumindest eine Trägerlage (16) aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar ver- formbaren Polymerschaum (2), eine Elektrodenanordnung (5) und eine Ausleseeinrichtung (9) umfasst und wobei die Trägerlage eine erste (3) und zweite (4) Auflagefläche aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und über die Dicke (8) der Trägerlage vonein- ander distanziert sind und die Elektrodenanordnung (5) unmittelbar auf den beiden Auflage- flachen der Trägerlage aufgebracht ist und zumindest eine, durch eine leitende Schicht gebildeten Elektrode (6) umfasst und die Ausleseeinrichtung (9) zumindest eine, aus elektronischen Bauelementen gebildete Schaltmatrix (17) umfasst, wobei jede Elektrode mittels einer isolierten, elektrisch leitenden Verbindungsleitung (7) mit der Ausleseeinrichtung (9) verbun- den ist und wobei die Auswerteeinrichtung (14) mit der Ausleseinrichtung (9) über ein Verbindungsmittel (15) verbunden ist und in Abhängigkeit von der Veränderung der relativen Position der Elektroden in zur Auflagefläche der Trägerlage senkrechten Richtung unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauelemente der Ausleseeinrichtung unmittelbar auf der verformbaren, flexiblen und elastisch rückstellbaren Trägerlage (16) angebracht sind.
2. Messvorrichtung (1), insbesondere nach Anspruch 1, umfassend zumindest einen flächenhaften Sensor (13) und eine Auswerteeinrichtung (14) zum Ermitteln einer, auf einem vordefinierbaren Abschnitt des flächenhaften Sensors (13) einwirkenden Kraft, wobei der flä- chenhafte Sensor (13) zumindest eine Trägerlage (16) aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum (2) und eine Elektrodenanordnung (5) umfasst und wobei die Trägerlage eine erste (3) und zweite (4) Auflagefläche aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und über die Dicke (8) der Trägerlage voneinander distanziert sind und die Elektrodenanordnung (5) unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebracht ist und zumindest eine, durch eine leitende Schicht gebildeten Elektrode (6) umfasst und wobei die Auswerteeinrichtung (14) in Abhängigkeit von der Veränderung der relativen Position der Elektroden in zur Auflagefläche der Trägerlage senkrechten Richtung unterschiedliche Ausgangssignale erzeugt, dadurch gekennzeich- net, dass die Auswerteeinrichtung (14) zur Aktivierung durch einen Spannungsimpuls ausgebildet ist.
3. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Auswerteeinrichtung (14) einen Anschluss (25) zu deren Aktivierung aufweist.
4. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung ein Speichermodul (26) und ein Ausführungsmodul (27) umfasst.
5. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente zur Bildung der Schaltmatrix (17) aus einer Gruppe umfassend Halbleiter und passive elektronische Komponenten, gebildet sind.
6. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein halbleitendes Bauelement der Schaltmatrix (17) aus organischen Transistoren gebildet ist.
7. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest ein halbleitendes Bauelement der Schaltmatrix (17) aus amorphen
Silizium Transistoren gebildet ist.
8. Mess Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Elektrodenanordnungen (5) mehrere über die Auflagefläche der Trägerlage verteilt angeordnete Elektroden (6), insbesondere Streifenelektroden, aufweist.
9. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formanpassungsfähigkeit der auf dem Polymerschaum (2) aufgebrachten Einrichtungen, insbesondere der Elektrodenanordnung (5), der isolierten Verbindungsleitungen (7) und der Ausleseeinrichtung (9), zumindest derjenigen des Polymerschaums (2) entspricht.
10. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerschaum (2) aus der Gruppe der geschlossenen Zellularschäume gebildet ist.
11. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der quasistatische piezoelektrische Koeffizient d33 des Polymerschaums (2) zumindest 100 pC/N beträgt.
12. Mess Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flächenhafte Sensor (13) und alle darauf angebrachten Einrichtungen, insbesondere die beiden Auflageflächen (3, 4), die unmittelbar darauf angebrachte Elektrodenanordnungen (5) und zumindest eine Stirnseitenkante (11), mit einer durchgehenden Lage einer Schutzschicht (12) beschichtet sind.
13. Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) aus einem nicht leitenden Kunststoff gebildet ist.
14. Messvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutz- schicht (12) feuchtigkeits- bzw. wasserabweisend ist.
15. Messvorrichtung nach einem der Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (12) UV-beständig ist.
16. Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerschaum (2) in Richtung der Dicke (8) eine höhere Elastizität aufweist, als in der parallel zu den Auflageflächen (3, 4) verlaufenden Ebene.
17. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Ausleseeinrichtung (9) zur berührungslosen Aktivierung der Auswerteeinrichtung (14) ausgebildet ist.
18. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinrichtung (9) zur berührungslosen Übermittlung eines Mess- werts ausgebildet ist.
19. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinrichtung (9) einen Anschluss (10) für ein Bussystem (19) aufweist.
20. Mess Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (14) einen Anschluss (20) für ein Bussystem (21) aufweist.
21. Verfahren zur Herstellung einer Messvorrichtung (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 20, welche zumindest einen flächenhaften Sensor (13) umfasst und wobei der flächenhafte Sensor zumindest eine Trägerlage (16) aus einem flexiblen, elektrisch geladenen und elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum (2), eine Elektrodenanordnung (5) und eine Ausleseeinrichtung (9) umfasst und wobei die Trägerlage eine erste (3) und zweite (4) Auflagefläche aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und über die Dicke (8) der Trägerlage voneinander distanziert sind und die Elektrodenanordnung (5) unmittelbar auf den beiden Auflageflächen der Trägerlage aufgebracht ist und zumindest eine durch eine leitende Schicht gebildete Elektrode (6) umfasst und wobei die Elektroden auf die Auflageflächen aufgedruckt und/oder aufgedampft werden und die Ausleseeinrichtung (9) zumindest eine aus elektronischen Bauelementen gebildete Schaltmatrix (17) umfasst, wobei jede Elektrode mittels einer isolierten, elektrisch leitenden Verbindungsleitung (7) mit der
Ausleseeinrichtung verbunden ist und wobei die isolierte Verbindungsleitung (7) unmittelbar auf die Auflagefläche des Polymerschaums (2) bzw. auf die Elektrode (6) oder Elektrodenan- ordnung (5) aufgedruckt bzw. aufgedampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile unmittelbar auf der Trägerlage aufgebracht werden.
22. Verwendung einer Messvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 zum Messen einer Kraft die auf einem vordefmierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors (13) einwirkt.
23. Verfahren zum Messen einer Kraft die auf einem vordefinierbaren Abschnitt eines flächenhaften Sensors (13) einwirkt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei von der Auswerteinrichtung (14) ein Ausgangssignal abgegeben wird, das der Änderung des Abstands der beiden Elektrodenanordnung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (14) durch eine Krafteinwirkung auf einen Abschnitt des flächenhaf- ten Sensors (13) aktiviert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (14) eine vorgebbare Zeit nach der Aktivierung selbsttätig in einen Energiesparzustand versetzt wird.
25. Passiver Kraftsensor (40) umfassend eine flächenhafte Trägerlage (2) aus einem elastisch rückstellbar verformbaren Polymerschaum und eine Elektrodenanordnung (41), wobei die Elektrodenanordnung über einer Flachseite (3) der Trägerlage angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerschaum durch ein zelluläres Polymer gebildet ist und dass die Elektrodenanordnung zur drahtlosen Übertragung von elektrischer Energie und einem erfass- ten, kraftproportionalen Messwert ausgebildet ist.
26. Passiver Kraftsensor nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) durch eine strukturiert aufgebrachte elektrisch leitende Schicht gebildet ist.
27. Passiver Kraftsensor nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) auf einer Flachseite (3) der Trägerlage (2) aufgebracht ist.
28. Passiver Kraftsensor nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) auf eine Separationsschicht aufgebracht ist.
29. Passiver Kraftsensor nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) einen elektrischen Schwingkreis (16) ausbildet, insbesondere einen R-L-C-Schwingkreis.
30. Passiver Kraftsensor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapazität (43) des Schwingkreises (46) durch einen Abschnitt der Elektrodenanordnung (41) gebildet ist.
31. Passiver Kraftsensor nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (41) ein elektromagnetisches Koppelglied (42) aufweist.
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