WO1990013800A1 - Electronic pressure sensor - Google Patents

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WO1990013800A1
WO1990013800A1 PCT/EP1990/000702 EP9000702W WO9013800A1 WO 1990013800 A1 WO1990013800 A1 WO 1990013800A1 EP 9000702 W EP9000702 W EP 9000702W WO 9013800 A1 WO9013800 A1 WO 9013800A1
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pressure
pressure sensor
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conductive
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Application number
PCT/EP1990/000702
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German (de)
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Inventor
Heinz Wellhausen
Original Assignee
Ab Elektronik 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.)
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring 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

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor with which an electrical, pressure-proportional signal can be generated in that an electrical current conducted through this body experiences a variable electrical resistance when a elastomeric body is deformed.
  • the elastomer of the body has a constant, pressure-independent electrical conductivity, b) in the neutral state of a small contact area and high contact resistance, the body contacts an electrically conductive contact area, the contact area being increased when a force P is applied to the body and / or to the contact area with reversible deformation of the body,
  • the concept of the invention is, on the one hand, to apply a more elastic, conductive body with a small contact surface, which is designed, for example, as a truncated cone or a spherical cap, to a hard, e.g. metal surface, so that the body deforms and the pressure surface between the body and the hard surface increases.
  • a hard e.g. metal surface
  • the general idea of the invention is accordingly that an elastic material with constant conductance deforms when the pressure changes and the deformation changes the pressure surface and thus the electrical resistance.
  • Figure 1 shows the basic structure of a sensor in which a spherical body is located between two conductive pressure plates;
  • Figure ia the geometric parameters according to FigLir 1;
  • FIG. 2 shows a second arrangement in which the body has a cylindrical shape and two conductive plates can be pressed on;
  • Figure 3 shows a third arrangement in which a ball or a cylindrical body is located between three plates;
  • FIG. 4 shows an embodiment in which a body is embedded in an elastic, non-conductive material
  • FIG. 5 shows a first evaluation circuit of the sensor current
  • FIG. 6 shows a second evaluation circuit for a network of sensors
  • FIG. 9 shows a last embodiment
  • Figure 10 shows an embodiment in kinematic reversal.
  • FIG. 1 and 1a show a body 1, consisting of an elastomer with a defined electrical conductivity, which is located between two flat, conductive plates 2.
  • the plates 2 are connected to electrical connections 3 and 4.
  • the electrical resistance R of the body depends not only on its specific conductance k not only on the length 1 of the body but also on its cross-sectional area A.
  • an elastic ball - body 1 - is placed between two flat, highly conductive plates 2, this is referred to as a neutral state, with a small contact area and a high contact resistance. It is assumed that the elastomer of the body 1 does not change its specific conductance when pressure is applied. If a force P presses on the upper circuit board 2 and thus on the body 1, the body deforms and the contact surface 5 with respect to the boards 2 is enlarged. In FIG. 1 a, the difference in length caused is denoted by d1, while the radius of the contact surface 5 is denoted by r.
  • the elasticity of the elastomeric material of the ball provides a reproducible dependence on the path change dl in relation to the transition resistance. The change in length itself is irrelevant, but only the resulting change in area.
  • the current dependence is linearly dependent on the change in length, but is practically independent of the diameter of the ball.
  • the sensor has basically the same sensitivity for every size, so it can be as small as desired.
  • the only non-linear variable is the spring force of the body 1. In order to cover the same distance, ever greater force changes are necessary. This causes the sensor sensitivity to be greatest initially, since only small forces oppose the deformation. This is a major advantage of the sensor principle.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which the body 1 is designed as a pyramid or truncated cone. The tip presses on a conductive plate 2 and deforms when a force P is applied to the base of the pyramid.
  • the dependence on deformation, force and change in resistance can be determined empirically in a simple manner.
  • FIG. 1 A further embodiment that can be used in practice is shown in FIG.
  • an approximately spectacle-shaped configuration for the body 1 is selected in cross section.
  • Two hemispherical individual bodies are conductively connected to one another by a connection 6.
  • the spherically rounded parts of the hemisphere rest on two contact plates, 2, 2 '.
  • the body itself is additionally embedded in an elastic, non-conductive material 7, for example in the coating of an upper side of a robot gripping arm.
  • 'contacting a surface of the contacts 2 2'auf meet these and the body 1 begins to deform. Both contacts are on the same side, so that the printing effect doubles.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment. A directional dependence of the pressure load can be achieved here, since several contact surfaces 2 distributed in space have been used.
  • the sensor current is evaluated with a simple circuit according to FIG. 5. The current I through the sensor with the resistance designation R3 also flows through the resistor R and causes a voltage drop corresponding to its size, which appears as a change in the output voltage:
  • An arrangement of many sensors can be evaluated using a crossbar distributor according to FIG. 6.
  • the evaluation can be made possible here by connecting a diode in series with each sensor. It serves for decoupling, but otherwise has no significant influence on the current. According to the current state of the art, it is not difficult to query at least 10 sensors in succession within one millisecond.
  • Linearity and accuracy play a secondary role for a push button sensor of the aforementioned type. It is essential that the sensor responds even with low forces and can be built very small.
  • the individual bodies can be less than 1 mm in size:
  • FIGS. 7 and 8 An arrangement which is particularly suitable for the construction of measurement network circuits is shown in FIGS. 7 and 8.
  • individual spherical and cylindrical bodies 1, 1 ′ are pierced and threaded onto a conductive strand 11 or a conductive wire so tightly that good contact is established between the interior of the body and the strand.
  • An arrangement of pressure surfaces 2, 2 'associated with the ball arrangement is then produced by arranging separate surface elements below each body 1, which are supported by a non-conductive base.
  • you can Rubber supports 8 are installed between the strands, which prevent undesirable deformation of these strands. If a force P now presses on the arrangement of body 1, 1 'via an arbitrarily shaped structure 9, some bodies become strong, others little, others not deformed at all.
  • This arrangement can be tapped in the usual way via a query unit coupled to electronic data processing, so that the individually addressable bodies can be converted into a corresponding value matrix and stored. With the aid of this value matrix, evaluations can then be carried out via corresponding programs, so that the shape of the structure 9 can be recognized from the printing parameters. For example, a light ball can be distinguished from an equally heavy ring structure.
  • the arrangement of the sensors can, for example, be arranged on a surface-shaped sensing arm, so that, for example, a robot distinguishes the parts lying on a conveyor belt with the criteria "ring-shaped” and “spherical” and removes these parts in a controlled manner by * corresponding control of gripping arms and can sort.
  • a robot distinguishes the parts lying on a conveyor belt with the criteria "ring-shaped” and “spherical” and removes these parts in a controlled manner by * corresponding control of gripping arms and can sort.
  • such row-column arrangements of sensor bodies can also be embedded in elastic, non-conductive supports, so that a sensor arrangement is created which simulates the surface of the human skin and in principle also mimics its "feel".
  • the sensors are largely protected against external influences, since they only protrude from their substance with their contact surface and even consist of a material that is largely insensitive to common, destructive influences that are not tolerated by other sensors.
  • FIG. 10 shows an embodiment in which a pillow 22 is placed on a conductive base 20 via a contact layer 21.
  • the pillow consists of an elastomeric, conductive substance, similar to that described for the body 1, 1 1 .
  • a metal tip 23 penetrates into the surface of the cushion 22 using a force P, the pressure area between the cushion 22 and the metal tip 23 increasing. This reduces the electrical resistance.
  • This arrangement can also be arranged in configurations similar to those in FIGS. 6 to 8 above and thus as a basis for. serve a pressure sensor.
  • the "body” is accordingly the elastomeric cushion 22, while the pressure surface is the metal tip 23.

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Abstract

The invention relates to a pressure sensor with which an electric signal proportional to pressure may be generated, where, when an elastomeric body (1) is distorted, an electric current passing through it experiences a changing electrical resistance; the elastomer of the body (1) has a constant electrical conductivity independent of pressure. In the neutral state the body's small contact area (5) with a high contact resistance comes into contact with an electrically conductive pressure area (2) and the contact area (5) may be enlarged by applying a force P on the body towards the pressure area (2) with the distortion of the body, so that a reversible reduction in the contact resistance (R) may be produced. The body is spherical or cylindrical in shape.

Description

Elektronischer DrucksensorElectronic pressure sensor
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, mit dem ein elektrisches, druckproportionales Signal erzeugbar ist, indem unter Verformung eines elastomeren Körpers ein durch diesen Körper geleiteter elektrischer Strom einen veränderlichen elektrischen Kiderstand erfährt.The invention relates to a pressure sensor with which an electrical, pressure-proportional signal can be generated in that an electrical current conducted through this body experiences a variable electrical resistance when a elastomeric body is deformed.
Die Forschung beschäftigt sich seit einiger Zeit damit, die Leistungsfähigkeiten und Einsatzmöglichkeiten von sogenannten taktilen Sensoren (Tast- oder Drucksensoren) zu verbessern, (vgl. hierzu Artikel von DARIO, P. und DE ROSSI, D.; "Tactile Sensors and the Gripping Challenge IEEE SPECTRUM 1985, S. 46 - 52).For some time now, research has been concerned with improving the capabilities and possible uses of so-called tactile sensors (tactile or pressure sensors) (see articles by DARIO, P. and DE ROSSI, D .; "Tactile Sensors and the Gripping Challenge IEEE SPECTRUM 1985, pp. 46 - 52).
Die Aufgaben, die bei der Entwicklung zu erfüllen sind, werden dahingehend definiert, Sensoren mit hoher räum¬ licher Auflösung und Empfindlichkeit, großer Bandbreite, guter Linearität und vernachlässigbarer Hysterese zu konstrLiieren, die auch in Umgebungen mit rauhen Einflüs¬ sen arbeiten. Es werden auf S. 48, l.Sp., des vorgenann- ten Artikels einige Sensoren beschrieben, die mit elasto¬ meren Körpern mit piezoelektrischen Eigenschaften arbei- ten. Diese Sensoren haben aber offenbar die vorgesehene Aufgabe nicht erfüllen können, denn über ihre erfolg- reiche Markteinführung ist nichts bekanntgeworden.The tasks to be performed in the development are defined to design sensors with high spatial resolution and sensitivity, wide bandwidth, good linearity and negligible hysteresis, which also work in environments with rough influences. On p. 48, lsp., Of the aforementioned article, some sensors are described which work with elastomeric bodies with piezoelectric properties. However, these sensors apparently could not fulfill the intended task, because of their success - Rich market launch has not become known.
Zur Lösung der genannten Aufgaben wird daher gemgß Erfin¬ dung ein neues Konzept vorgeschlagen, bei dem die Druck¬ sensoren der eingangs genannten Art folgende Kennzeichen habe :To solve the above-mentioned problems, a new concept is proposed according to the invention, in which the pressure sensors of the type mentioned at the outset have the following characteristics:
a) Das Elastomer des Körpers besitzt einen konstanten, druckunabhängigen elektrischen Leitwert, b) der Körper kontaktiert im neutralen Zustand einer kleinen Kontaktfläche und hohem Übergangswiderstand eine elektrisch leitende Andruckfläche, wobei die Kon- taktfläche bei Aufbringen einer Kraft P auf den Kör¬ per und/oder auf die Andruckfläche unter reversibler Verformung des Körpers zu vergrößern ist,a) The elastomer of the body has a constant, pressure-independent electrical conductivity, b) in the neutral state of a small contact area and high contact resistance, the body contacts an electrically conductive contact area, the contact area being increased when a force P is applied to the body and / or to the contact area with reversible deformation of the body,
c) womit eine reversible Verringerung des Übergangswider- Standes zwischen Körper und Andruckfläche erzeugt ist.c) which produces a reversible reduction in the contact resistance between the body and the pressure surface.
*•_* • _
Das Konzept der Erfindung ist es, einmal einen elasto- eren, leitfähigen Körper mit einer kleinen Kontaktflä- ehe, die beispielsweise als Kegelstumpf oder als Kugel¬ kalotte gestaltet ist, auf eine harte, z.B. metallene Fläche, so aufzudrücken, daß der Körper sich verformt und die Andruckfläche zwischen Körper und harter Fläche sich vergrößert. In kinematischer Umkehrung ist es auch möglich, die ausgedehnte Fläche aus einem elastomerenThe concept of the invention is, on the one hand, to apply a more elastic, conductive body with a small contact surface, which is designed, for example, as a truncated cone or a spherical cap, to a hard, e.g. metal surface, so that the body deforms and the pressure surface between the body and the hard surface increases. In kinematic reversal, it is also possible to make the extended area out of an elastomer
Material der eingangs genannten Art als eine Art Kissen zu fertigen und mit einem kleinen, harten und leitfähi¬ gen Körper in die elasto ere Kissenoberfläche einzudrük- ken und damit die Andruckfläche zu vergrößern. Der all- gemeine Erfindungsgedanke ist demnach, daß ein elasti¬ sches Material mit konstantem Leitwert bei Druckänderung sich verformt und sich durch die Verformung die Andruck¬ fläche ändert und damit der elektrische Widerstand.To produce material of the type mentioned at the outset as a type of cushion and to press it into the elastic cushion surface with a small, hard and conductive body and thus to enlarge the pressure surface. The general idea of the invention is accordingly that an elastic material with constant conductance deforms when the pressure changes and the deformation changes the pressure surface and thus the electrical resistance.
Ausführungsformen der Erfindung sowie die Einzelheiten der Unteransprüche werden anhand der Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:Embodiments of the invention and the details of the subclaims are explained with reference to the figures. The figures show in detail:
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau eines Sensor, bei dem sich ein kugeliger Körper zwischen zwei leitfähigen Druckplatten befindet; Figur ia die geometrischen Parameter gemäß der FigLir 1;Figure 1 shows the basic structure of a sensor in which a spherical body is located between two conductive pressure plates; Figure ia the geometric parameters according to FigLir 1;
Figur 2 eine zweite Anordnung, bei dem der Körper eine Zylinderform besitzt und zwei leitfähige Platten auf¬ drückbar ist;FIG. 2 shows a second arrangement in which the body has a cylindrical shape and two conductive plates can be pressed on;
Figur 3 eine dritte Anordnung, bei der sich eine Kugel oder ein zylindrischer Körper zwischen drei Platten befindet;Figure 3 shows a third arrangement in which a ball or a cylindrical body is located between three plates;
Figur 4 eine ÄLisfuhrungsform, bei der ein Körper in ein elastisches, nichtleitendes Material eingebettet ist;FIG. 4 shows an embodiment in which a body is embedded in an elastic, non-conductive material;
Figur 5 eine erste Auswertungsschaltung des Sensorstroms;FIG. 5 shows a first evaluation circuit of the sensor current;
Figur 6 eine zweite Auswertungsschaltung für ein Netz von Sensoren;FIG. 6 shows a second evaluation circuit for a network of sensors;
Figuren 7 und 8 Ausführungsformen für die Anordnung und Anbringung von Körpern;Figures 7 and 8 embodiments for the arrangement and attachment of bodies;
Figur 9 eine letzte Ausführungsform,FIG. 9 shows a last embodiment,
Figur 10 eine Ausführungsform in kinematischer Umkehrung.Figure 10 shows an embodiment in kinematic reversal.
In den Figuren 1 und la ist ein Körper 1, bestehend aus einem Elastomer mit definierter elektrischer Leitfähig- keit dargestellt, der sich zwischen zwei ebenen, leit¬ fähigen Platten 2, befindet. Die Platten 2 sind mit elek¬ trischen Anschlüssen 3 und 4 verbunden. Der elektrische Widerstand R des Körpers hängt außer von seinem spezi¬ fischen Leitwert k nicht nur von der Länge 1 des Kör- pers, sondern auch von seiner Querschnittsfläche A ab.1 and 1a show a body 1, consisting of an elastomer with a defined electrical conductivity, which is located between two flat, conductive plates 2. The plates 2 are connected to electrical connections 3 and 4. The electrical resistance R of the body depends not only on its specific conductance k not only on the length 1 of the body but also on its cross-sectional area A.
Diese Querschnittsfläche A wird veränderlich gemacht. Es gilt die Beziehung R = l/ (k^ • A) . ( 1 )This cross-sectional area A is made variable. The relationship applies R = l / (k ^ • A). ( 1 )
Legt man eine elastische Kugel - Körper 1 - zwischen zwei ebene, gut leitende Platten 2, so wird dies als neutraler Zustand bezeichnet, wobei eine kleine Kontakt¬ fläche und ein hoher Übergangswiderstand gegeben sind. Vorausgesetzt ist, daß das Elastomer des Körpers 1 seinen spezifischen Leitwert unter Aufbringung eines Druckes nicht ändert. Drückt eine Kraft P auf die obere Leiterplatte 2 und damit auf den Körper 1, so verformt sich der Körper und die Andruckfläche 5 gegenüber den Platten 2 wird vergrößert. In Figur la ist der hervorge¬ rufene Längenunterschied mit dl bezeichnet, während der Radius der Kontaktfläche 5 mit r bezeichnet ist. Durch die Elastizität des elasto eren Materials der Kugel ergibt sieht eine reproduzierbare Abhängigkeit von der Wegänderung dl in Bezug auf den Obergangswiderstand. Die Längenänderung selbst spielt dabei keine Rolle, sondern nur die aus ihr resultierende Flächenänderung.If an elastic ball - body 1 - is placed between two flat, highly conductive plates 2, this is referred to as a neutral state, with a small contact area and a high contact resistance. It is assumed that the elastomer of the body 1 does not change its specific conductance when pressure is applied. If a force P presses on the upper circuit board 2 and thus on the body 1, the body deforms and the contact surface 5 with respect to the boards 2 is enlarged. In FIG. 1 a, the difference in length caused is denoted by d1, while the radius of the contact surface 5 is denoted by r. The elasticity of the elastomeric material of the ball provides a reproducible dependence on the path change dl in relation to the transition resistance. The change in length itself is irrelevant, but only the resulting change in area.
Vernachlässigt man die Verformung durch Quetschung, so findet man nach Figur la zwischen der Weglänge dl, dem Radius r0 der Kugel und dem Radius r der Kontaktfläche A den Zusammenhang:If the deformation caused by crushing is neglected, the relationship between the path length dl, the radius r 0 of the sphere and the radius r of the contact surface A can be found according to FIG.
(r0 -dl)2 + V2 = ro2 r2 = 2 • r0 • dl (1 - dl/(2 • r0 ) ) r2 ~ 2 • r0 - dl (2)(r 0 -dl) 2 + V 2 = ro 2 r 2 = 2 • r 0 • dl (1 - dl / (2 • r 0 )) r 2 ~ 2 • r 0 - dl (2)
Damit wird die Kontaktfläche 5 (A) :This makes the contact surface 5 (A):
A = r2 • π = 2 • r0 • dl • πA = r 2 • π = 2 • r 0 • dl • π
Der Leitwert G der Anordnung ist dann:The conductance G of the arrangement is then:
G = k 2 r0 π • dl / 1 ~ k • π • dl mit r0 ~ 1/; Der-Leitwert ist also direkt proportional der Längen¬ änderung dl! Legt man an den Sensor eine Spannung U, so wird der Strom IG = k 2 r 0 π • dl / 1 ~ k • π • dl with r 0 ~ 1 /; The conductance is therefore directly proportional to the change in length dl! If a voltage U is applied to the sensor, the current I
I = U - G = U « k « π - dl.I = U - G = U «k« π - dl.
Man beachte, daß die Stromabhängigkeit von der Längen¬ änderung linear abhängt, jedoch praktisch unabhängig vom Durchmesser der Kugel ist. Dadurch hat der Sensor für jede Baugröße im Prinzip die gleiche Empfindlichkeit, kann also beliebig klein werden.It should be noted that the current dependence is linearly dependent on the change in length, but is practically independent of the diameter of the ball. As a result, the sensor has basically the same sensitivity for every size, so it can be as small as desired.
Die einzig nichtlineare Größe ist die Federkraft des Körpers 1. Um gleiche Wege zurückzulegen, werden immer größere Kraftänderungen nötig. Dies bewirkt, daß die Sensorempfindlichkeit anfangs am größten ist, da nur geringe Kräfte der Verformung entgegenstehen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil des Sensorprinzipes dar.The only non-linear variable is the spring force of the body 1. In order to cover the same distance, ever greater force changes are necessary. This causes the sensor sensitivity to be greatest initially, since only small forces oppose the deformation. This is a major advantage of the sensor principle.
Vorteilhaft hat sich die Verwendung des Werkstoffes Sim- rit (Warenzeichen) der Firma Carl Freudenberg des Typs 50 VMQ 141 002 erwiesen. Dieses besitzt einen spezi- fischen Widerstand von etwa 10 Ohm • cm: Hier besteht folgende Abhängigkeit zwischen Strom und Längenänderung:The use of the material Simit (trademark) from Carl Freudenberg of type 50 VMQ 141 002 has proven to be advantageous. This has a specific resistance of about 10 Ohm • cm: Here there is the following dependency between current and change in length:
I = 31 • U • dl [mA/(V • mm)] .I = 31 • U • dl [mA / (V • mm)].
Das bedeutet, daß unabhängig von der Sensorgröße bei ei¬ ner Spannung von 1 V und einer Wegeänderung von 0,01 mm eine Stromänderung von immerhin 310 μA entstehtIThis means that regardless of the size of the sensor, a current change of at least 310 μA occurs at a voltage of 1 V and a path change of 0.01 mm
Das erfinderische Prinzip läßt sich, wie ohne weiteres einsichtig ist, auch für andere, mit einer angespitzten oder abgerundeten Fläche versehene Körper realisieren, beispielsweise für einen zylindrischen Körper, wie er in Figur 2 dargestellt ist. Hierbei liegt der Körper 1 als zylindrischer Strang auf zwei elektrisch getrennten Plat¬ ten 2 auf. Wird von oben eine verformende Kraft P, bei¬ spielsweise über eine nichtleitende Platte (nicht darge- stellt) aufgebracht, so verforrnt sich der Körper 1 und die Andruckfläche auf beiden Platten 2 wird in gleicher Weise vergrößert. In Figur 9 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Körper 1 als Pyramide oder Ke¬ gelstumpf gestaltet ist. Die Spitze drückt hierbei auf eine leitende Platte 2 und verformt sich, wenn eine Kraft P auf die Grundfläche der Pyramide aufgebracht wird. Die Abhängigkeit von Verformung, Kraft und Wider¬ standsänderung kann in einfacher Weise empirisch be¬ stimmt werden.As is readily apparent, the inventive principle can also be implemented for other bodies provided with a pointed or rounded surface, for example for a cylindrical body as shown in Figure 2 is shown. Here, the body 1 rests as a cylindrical strand on two electrically separated plates 2. If a deforming force P is applied from above, for example via a non-conductive plate (not shown), the body 1 deforms and the pressure surface on both plates 2 is increased in the same way. FIG. 9 shows an embodiment in which the body 1 is designed as a pyramid or truncated cone. The tip presses on a conductive plate 2 and deforms when a force P is applied to the base of the pyramid. The dependence on deformation, force and change in resistance can be determined empirically in a simple manner.
Eine weitere, für die Praxis brauchbare Ausführungsform ist in Figur 4 dargestellt. Hierbei wird eine im Quer¬ schnitt etwa brillenformige Konfiguration für den Körper 1 gewählt. Zwei halbkugelförmige Einzelkörper sind durch eine Verbindung 6 miteinander leitfähig verbunden. Die sphärisch gerundeten Teile der Halbkugel liegen auf zwei Kontaktplatten, 2, 2' auf. Der Körper selbst ist zusätz¬ lich in ein elastisches, nichtleitfähiges Material 7 eingebettet, beispielsweise in die Beschichtung einer Oberseite eines Roboter-Greifarmes. Bei' Kontaktierung einer Oberfläche treffen die Kontakte 2, 2'auf diese auf und der Körper 1 beginnt sich zu verformen. Beide Kontakte befinden sich auf derselben Seite, so daß der Druckeffekt sich verdoppelt.A further embodiment that can be used in practice is shown in FIG. In this case, an approximately spectacle-shaped configuration for the body 1 is selected in cross section. Two hemispherical individual bodies are conductively connected to one another by a connection 6. The spherically rounded parts of the hemisphere rest on two contact plates, 2, 2 '. The body itself is additionally embedded in an elastic, non-conductive material 7, for example in the coating of an upper side of a robot gripping arm. In 'contacting a surface of the contacts 2 2'auf meet these and the body 1 begins to deform. Both contacts are on the same side, so that the printing effect doubles.
Es ist auch möglich, mehrere Körper zu einer Sternschal¬ tung zu verbinden. Figur 3 zeigt hier ein Ausführungsbei¬ spiel. Hier kann eine Richtungsabhängigkeit der Druckbe¬ lastung erreicht werden, da mehrere, im Raum verteilte Kontaktflächen 2 verwendet worden sind. Die Auswertung des Sensorstroms erfolgt mit einer ein¬ fachen Schaltung nach Figur 5. Der Strom I durch den Sensor mit der Widerstandsbezeichnung R3 fließt auch durch den Widerstand R und verursacht daran einen seiner Größe entsprechenden Spannungsabfall, der als Ausgangsspannungsänderung erscheint:It is also possible to connect several bodies to form a star connection. FIG. 3 shows an exemplary embodiment. A directional dependence of the pressure load can be achieved here, since several contact surfaces 2 distributed in space have been used. The sensor current is evaluated with a simple circuit according to FIG. 5. The current I through the sensor with the resistance designation R3 also flows through the resistor R and causes a voltage drop corresponding to its size, which appears as a change in the output voltage:
U2 = Ui - I R- .U2 = Ui - I R-.
Eine Anordnung vieler Sensoren kann über einen Kreuz¬ schienenverteiler nach Figur 6 ausgewertet werden. Hier kann die Auswertung dadurch ermöglicht werden, daß man mit jedem Sensor eine Diode in Reihe schaltet. Sie dient zur Entkopplung, hat aber sonst keinen wesentlichen Ein¬ fluß auf den Strom. Nach dem heutigen Stand der Technik bereitet es keine Schwierigkeiten, nacheinander mindes¬ tens 10 Sensoren innerhalb einer Millisekunde abzufragen.An arrangement of many sensors can be evaluated using a crossbar distributor according to FIG. 6. The evaluation can be made possible here by connecting a diode in series with each sensor. It serves for decoupling, but otherwise has no significant influence on the current. According to the current state of the art, it is not difficult to query at least 10 sensors in succession within one millisecond.
Linearität und Genauigkeit spielen für einen Tastsensor der vorgenannten Art eine sekundäre Rolle. Wesentlich ist, daß der Sensor schon bei geringen Kräften anspricht und sehr klein gebaut werden kann. Die einzelnen Körper können weniger als 1 mm Größe besitzen:Linearity and accuracy play a secondary role for a push button sensor of the aforementioned type. It is essential that the sensor responds even with low forces and can be built very small. The individual bodies can be less than 1 mm in size:
Eine Anordnung, die sich insbesondere für den Aufbau von Meß-Netzschaltungen eignet, ist in Figuren 7 und 8 dar¬ gestellt. Hierbei werden einzelne Kugel- und Zylinder- körper 1, 1'durchbohrt und auf eine leitfähige Litze 11 oder einen leitfähigen Draht so stramm aufgefädelt, daß ein guter Kontakt zwischen dem Inneren der Körper und der Litze hergestellt ist. Anschließend wird eine der Ku¬ gelanordnung zugeordnete Anordnung von Andruckflächen 2, 2' hergestellt, indem separate Flächenelemente unterhalb eines jeden Körpers 1 angeordnet sind, die von einer nichtleitenden Basis getragen sind. Zusätzlich können Gummistützen 8 zwischen die Litzen eingebaut werden, die eine unerwünschte Verformung dieser Litzen verhindern. Drückt nunmehr eine Kraft P über eine beliebig geformte Struktur 9 auf die Anordnung von Körper 1, 1', so werden einige Körper stark, andere wenig, weitere garnicht verformt. Diese Anordnung kann in üblicher Weise über eine mit einer elektronischen Datenverarbeitung gekop¬ pelten Abfrageeinheit abgegriffen werden, so daß die einzeln adressierbaren Körper in eine entsprechende Wertematrix umgewandelt und gespeichert werden können. Mit Hilfe dieser WerteMatrix lassen sich dann über entsprechende Programme Auswertungen vornehmen, so daß die Gestalt der Struktur 9 anhand der Druckparameter erkannt werden kann. Beispielsweise kann eine leichte Kugel von einer ebenso schweren Ringstruktur unterschieden werden.An arrangement which is particularly suitable for the construction of measurement network circuits is shown in FIGS. 7 and 8. In this case, individual spherical and cylindrical bodies 1, 1 ′ are pierced and threaded onto a conductive strand 11 or a conductive wire so tightly that good contact is established between the interior of the body and the strand. An arrangement of pressure surfaces 2, 2 'associated with the ball arrangement is then produced by arranging separate surface elements below each body 1, which are supported by a non-conductive base. In addition, you can Rubber supports 8 are installed between the strands, which prevent undesirable deformation of these strands. If a force P now presses on the arrangement of body 1, 1 'via an arbitrarily shaped structure 9, some bodies become strong, others little, others not deformed at all. This arrangement can be tapped in the usual way via a query unit coupled to electronic data processing, so that the individually addressable bodies can be converted into a corresponding value matrix and stored. With the aid of this value matrix, evaluations can then be carried out via corresponding programs, so that the shape of the structure 9 can be recognized from the printing parameters. For example, a light ball can be distinguished from an equally heavy ring structure.
Die Anordnung der Sensoren kann beispielsweise an einem flächenförmig gestalteten Fühlarm angeordnet sein, so daß beispielsweise ein Roboter die auf einem Förderband liegenden Teile mit den Kriterien "ringförmig" und "kuge¬ lig" unterscheiden und durch* entsprechende Steuerung von Greifarmen diese Teile gesteuert entnehmen und sortieren kann. Wie bereits angedeutet, können derartige Reihen- Spalten-Anordnungen von Sensorkörper auch in elastische, nichtleitende Träger eingebettet werden, so daß eine Sensor-Anordnung entsteht, die der Oberfläche der menschlichen Haut nachgebildet ist und im Prinzip auch deren "Fühlen" nachahmt. Die Sensoren sind in diesem Falle weitgehend gegen äußere Einflüsse geschützt, da sie nur mit ihrer Kontaktfläche aus der sie Substanz herausragen und selbst aus einem Material bestehen, das weitgehend unempfindlich gegen übliche, zerstörende Einflüsse ist, die durch andere Sensoren nicht toleriert werden. Figur 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der auf einer leitenden Basis 20 über eine Kontaktschicht 21 ein Kis¬ sen 22 aufgesetzt ist. Das Kissen besteht aus einer elas- tomeren, leitfähigen Substanz, ähnlich der, wie sie für den Körper 1, l1 beschrieben worden ist. Eine metallene Spitze 23 dringt unter Anwendung einer Kraft P in die Oberfläche des Kissens 22 ein, wobei sich die Andruck¬ fläche zwischen dem Kissen 22 und der Metallspitze 23 vergrößert. Hierdurch verringert sich der elektrische Widerstand. Auch diese Anordnung kann in ähnlichen Konfi¬ gurationen wie in den vorstehenden Figuren 6 bis 8 ange¬ ordnet werden und damit als Grundlage für. einen Druck¬ sensor dienen.The arrangement of the sensors can, for example, be arranged on a surface-shaped sensing arm, so that, for example, a robot distinguishes the parts lying on a conveyor belt with the criteria "ring-shaped" and "spherical" and removes these parts in a controlled manner by * corresponding control of gripping arms and can sort. As already indicated, such row-column arrangements of sensor bodies can also be embedded in elastic, non-conductive supports, so that a sensor arrangement is created which simulates the surface of the human skin and in principle also mimics its "feel". In this case, the sensors are largely protected against external influences, since they only protrude from their substance with their contact surface and even consist of a material that is largely insensitive to common, destructive influences that are not tolerated by other sensors. FIG. 10 shows an embodiment in which a pillow 22 is placed on a conductive base 20 via a contact layer 21. The pillow consists of an elastomeric, conductive substance, similar to that described for the body 1, 1 1 . A metal tip 23 penetrates into the surface of the cushion 22 using a force P, the pressure area between the cushion 22 and the metal tip 23 increasing. This reduces the electrical resistance. This arrangement can also be arranged in configurations similar to those in FIGS. 6 to 8 above and thus as a basis for. serve a pressure sensor.
Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 10 ist dem¬ nach der "Körper" das elastomere Kissen 22, während die Andruckfläche die Metallspitze 23 ist. In the case of the exemplary embodiment according to FIG. 10, the "body" is accordingly the elastomeric cushion 22, while the pressure surface is the metal tip 23.

Claims

- ..0-Patentansprüche - ..0 claims
1. Drucksensor, mit dem ein elektrisches, druckpropor¬ tionales Signal erzeugbar ist, indem unter Verformung eines elastomeren Körpers (1, l1) ein durch diesen Körper geleiteter elektrischer Strom einen veränder¬ lichen elektrischen Widerstand erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß a) das Elastomer des Körpers (1, 1'; 22) )einen kon¬ stanten, druckunabhängigen elektrischen Leitwert besitzt,1. Pressure sensor with which an electrical, pressure-proportional signal can be generated, by deforming an elastomeric body (1, l 1 ), an electrical current conducted through this body experiences a variable electrical resistance, characterized in that a) the Elastomer of the body (1, 1 '; 22)) has a constant, pressure-independent electrical conductivity,
b) der Körper (1, 1', 22) neutralen Zustand mit einer kleinen Kontaktfläche (5) und hohem Übergangswider¬ stand eine elektrisch leitende Andruckfläche (2, 2'; 23) kontaktiert, wobei die Kontaktfläche (5) bei Aufbringen einer Kraft P auf den Körper und/oder auf die Andruckfläche unter Verformung des Körpers oder der Andruckfläche zu vergrößern ist,b) the body (1, 1 ', 22) neutral state with a small contact area (5) and a high contact resistance contacts an electrically conductive contact surface (2, 2'; 23), the contact area (5) when a force is applied P is to be enlarged on the body and / or on the pressure surface while deforming the body or the pressure surface,
c) womit eine reversible Verringerung des übergangswi- derstandes (R) zwischen Körper und Andruckfläche erzeugt ist.c) which produces a reversible reduction in the transition resistance (R) between the body and the pressure surface.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) als Kugel, Zylinder oder Kegel¬ stumpf gestaltet ist.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the body (1) is designed as a ball, cylinder or truncated cone.
3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckfläche als Körper (23) mit wenigstens einer angespitzten oder abgerundeten kleinen Kontakt¬ fläche gestaltet ist, mit der die Andruckfläche auf 1 einen Körper aufdrückt, der als plattenförmiges Ele¬ ment (Kissen 22) geformt ist.3. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the pressure surface is designed as a body (23) with at least one pointed or rounded small contact surface with which the pressure surface is on 1 presses on a body which is shaped as a plate-shaped element (cushion 22).
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4. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- 5 zeichnet, daß der Körper (1) in einem nichtleitendem, elastischen Träger (10) eingebettet ist, wobei die Kontaktfläche zu der leitenden Andruckfläche offen ist.4. Pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the body (1) is embedded in a non-conductive, elastic support (10), the contact surface being open to the conductive pressure surface.
10 5. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren oder Körper (1) in wenigstens einer Reihe, vorzugsweise in Reihen und Spalten, netzartig angeordnet und adressiert elektronisch ab¬ fragbar sind.10 5. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that a plurality of sensors or bodies (1) in at least one row, preferably in rows and columns, arranged in a network-like manner and addressed electronically can be interrogated.
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6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren durch Dioden entkoppelt und über einen Kreuzschienenverteiler abfragbar sind.6. Pressure sensor according to claim 5, characterized in that the sensors are decoupled by diodes and can be queried via a crossbar distributor.
20 7. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (1, 1') durchbohrt sind und auf leit¬ fähigen Litzen (11) oder Drähten aufgefädelt sind.20 7. Pressure sensor according to claim 5, characterized in that the body (1, 1 ') are pierced and threaded on conductive strands (11) or wires.
8. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 25 daß die Andruckflächen als separate Flächenelemente8. Pressure sensor according to claim 5, characterized in 25 that the pressure surfaces as separate surface elements
(2, 2') unterhalb eines jeden Körpers angeordnet und von einer Basis (12) getragen sind.(2, 2 ') are arranged below each body and are supported by a base (12).
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