WO2006103048A1 - Flexibeler kräfteverteilungsmesssensor mit mehreren schichten - Google Patents

Flexibeler kräfteverteilungsmesssensor mit mehreren schichten Download PDF

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WO2006103048A1
WO2006103048A1 PCT/EP2006/002812 EP2006002812W WO2006103048A1 WO 2006103048 A1 WO2006103048 A1 WO 2006103048A1 EP 2006002812 W EP2006002812 W EP 2006002812W WO 2006103048 A1 WO2006103048 A1 WO 2006103048A1
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lines
force sensors
measuring surface
capacitor elements
capacitor
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Application number
PCT/EP2006/002812
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Inventor
Peter Seitz
Original Assignee
Peter Seitz
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Application filed by Peter Seitz filed Critical Peter Seitz
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the area distribution of compressive forces, according to the preamble of claim 1.
  • the object is achieved by a device according to claim 1.
  • the object is in a device for measuring the planar
  • Distribution of compressive forces which act substantially perpendicular to a deformable measuring surface comprising an array of force sensors, which each by capacitor elements which are formed by the pressure forces changeable in their capacity and connectable via lines to an evaluation electronics, solved in that individual subsets the force sensors with the associated lines are arranged sequentially such that the subsets separable from each other, forming the measuring surface forming sections.
  • a particular advantage of this arrangement of force sensors is that due to the separability of the individual sections, the flexibility between them is very high. Even if the sections are physically connected, they have no electrical connection with each other, which can interfere with a strong kinking of the measuring surface, for example. In the other case, when separated, the sections can move freely against each other. Particularly in application scenarios in which the surface on which the distribution of forces is to be determined is uneven (eg stepped) pronounced, the invention can be optimally fitted or fitted and, in comparison with uniformly connected measuring surfaces, yields significantly more accurate measurement results.
  • at least a Sectionstfecke of the lines is formed by the capacitor elements themselves. This makes it possible to connect the individual force sensors to the evaluation electronics via a minimum number of lines. Since electrical lines and the capacitor elements have a relatively low flexibility, ie they are only slightly expandable, the saving of lines or line sections increases the flexibility of the individual sections and the entire measuring surface.
  • a device is also preferred in which the lines run parallel to the measuring surface in such a way that a projection of the lines perpendicular to the surface of the measuring surface largely reflects them onto the capacitor elements.
  • the lines thus run above and below the capacitor elements, so that the smallest possible part of the deformable measuring surface is interspersed with lines and capacitor elements. This in particular increases the torsional capability of the individual sections which form the measuring surface.
  • Each section preferably has a contact region at the edge of the section where all lines for connecting the force sensors of this section have contact points. These contact regions serve to connect the section to the evaluation electronics. It is also conceivable to provide plug-in connection for producing the electrical contact at this point. Thus, an unnecessarily complicated cabling of the individual sections is avoided, since the insertion of further strip conductors or wires on the one hand results in a lower flexibility of the device, on the other hand could falsify the measurement results.
  • the capacitor elements and / or the lines of at least one section are arranged and / or formed sinusoidally or loop-shaped along an axis parallel to the measuring surface, an increased extensibility of the measuring surface along the axis and a better torsional ability about the axis can be achieved.
  • the individual sections can be designed in any desired shape with capacitor elements and / or lines arranged in a sinusoidal or loop-shaped manner along curved surfaces parallel to the measuring surface.
  • the invention can also be used on surfaces that have no straight boundaries.
  • the elasticity of the corresponding portion increasing incisions or recesses are provided between the individual force sensors of a section. These cuts or recesses can cut through the entire measuring surface, for example, as long as the contacts exist between the individual force sensors stay. This proves to be particularly advantageous in combination with a sinusoidal or looped shape of the capacitor elements and / or lines, as described above, since the notches or recesses support the extensibility of the measuring surface along the axis and the sine and loop turns a fraction of the less prevents flexible lines or capacitor elements.
  • the lines and / or capacitor elements are formed on at least one carrier foil in the form of a plurality of electrical current-conducting layers separated by at least one non-conductive layer.
  • a multiplicity of conductive and non-conductive layers can be applied to a carrier film in the narrowest space, but also other layers, such as a layer for electromagnetic shielding of the device, for example.
  • the carrier film can also serve as an insulating or non-insulating layer.
  • the device comprises a shielding layer from the electrical and / or magnetic shielding of the force sensors.
  • This shielding layer prevents the electric or magnetic fields of a force sensor, consisting of two capacitor elements, from influencing adjacent force sensors, and thus falsifying the measurement results.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a capacitive force sensor
  • 3a shows a layer structure of a plurality of upper capacitor plates arranged side by side in a measuring section
  • 3b shows a layer structure of several in a measuring section juxtaposed lower capacitor plates
  • Fig. 6a shows a layer structure similar to that of Fig. 3a, -rarei
  • Capacitor plates are arranged sinusoidally,
  • Fig. 6b is a layer structure similar to that of FIG. 3b, wherein the capacitor plates are arranged sinusoidally, and
  • Fig. 7 is a plan view of a measuring surface, which consists of several measuring sections with corresponding force sensors.
  • a capacitive force sensor 50 is shown.
  • Two parallel opposite capacitor plates 10, 10 ' are connected via lines 83, 84 with an electronic evaluation unit 5.
  • the two capacitor plates 10, 10 ' form a capacitor and are arranged so that the distance between the
  • Capacitor plates 10, 10 ' according to a force (see force arrow), which acts perpendicular to the capacitor plates 10,10' changed.
  • the capacitance of the capacitor changes as a function of the distance of the plates 10, 12.
  • the force required to compress the capacitor can be changed, for example, by using different solid dielectrics.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram in which the twelve force sensors 50 are connected in a preferred manner to an evaluation electronics 5 (not shown). Twelve first capacitor plates 10-21 are each arranged twelve second capacitor plates 10'-21 'opposite one another. Each capacitor plate pair, eg the pair consisting of the capacitor plates 10 and 10 ', forms a capacitive force sensor 50 as described above 2 shown lines 80-86, the capacity of the individual force sensors can be determined.
  • the arrangement shown is sometimes preferred because, here, with a minimal number (n + m) of lines 80-86, the capacitor plates 10-21, 10'-21 'are connected so that the capacity of a maximum number (n * m ) of force sensors can be determined independently of each other.
  • each capacitor plate pair forming a force sensor 50 is connected via a pair of conductors differing from the other capacitor plate pairs.
  • the capacitor plate pair consisting of the capacitor plates 10 and 10 'contacted via the line pair 83 and 84, while the capacitor plate pair 11 and 11' via the pair of lines 83 and 85 and the capacitor plate pair 13 and 13 'connected via the lines 80 and 86.
  • Capacitor plates and cables In the specific embodiment, two carrier foils are used, each providing twelve capacitor plates.
  • the first carrier foil 1 is mounted on the upper side of a deformable dielectric 40 (see Fig. 4.5) and the second carrier foil on its underside so that in each case a capacitor plate of the first carrier foil forms a force sensor with a capacitor plate of the second carrier foil.
  • the layer structure of the first, upper carrier film 1 and the second, lower carrier film 1 is described by way of example.
  • the two carrier films 1 are repeatedly drawn in FIGS. 2 a and 2 b, although only one single film is provided for each "side" of an arrangement of force sensors, as is the case with the sectional drawings according to FIGS. 4 and 5 evident.
  • the carrier film 1 shown here is divided into twelve equal sections (Tl to Tl 2).
  • layers S1 to S4 are applied to the carrier film 1.
  • Layer Sl is a printed on the back of the support sheet 1 shielding layer 60, which extends over the entire length of the carrier film 1.
  • the lines 80, 81, 82 are applied to the carrier film 1 on the front side.
  • the capacitor plate 21 the line 81 applied contacting.
  • an insulation 30 with insulating recesses 31 is printed on the front side of the carrier film 1 via the layer S2.
  • the layer S4 which is applied to the carrier film 1 above the layer S3, forms the remaining capacitor plates 10-20 of the Sections Tl to TIl. While some capacitor plates 10, 11, 12 are in direct contact with each other, others are separated from each other by contact joints 3 (see capacitor plates 12 and 13). For contacting the capacitor plates 10, 11, 12, a line 83 is mounted in the layer 4. The other capacitor plates 13-20 are connected via the isolation recesses 31 directly or indirectly to the lines 80-82.
  • FIG. 3b The representation of FIG. 3b is similar to that of FIG. 3a.
  • the layers shown here illustrate the structure of the second carrier foil 1 with the twelve capacitor plates 10 '- 21' arranged next to one another. Again, the capacitor plates 10'-21 'on a carrier film 1 divided into twelve sections Rl to R12 applied. For this purpose, four layers S5 to S8 are applied to the carrier film 1. While in layer S8 the layer 60 is applied from the back to the carrier foil, all other layers are printed on the front side of the carrier foil 1.
  • Layer S7 forms the lines 84, 85, 86 and the capacitor plates 20 ', 21'.
  • Layer S6 forms a
  • the carrier foil 1 of FIG. 3a and the carrier foil 1 are made 3 b with the layers S 1 to S 4 or S 5 to S 8 applied to a dielectric 40 (see FIGS. 4, 5).
  • the sections Tl to Tl 2 of FIG. 3a are opposite to the sections Rl to Rl 2 of FIG. 3b and separated by the dielectric 40.
  • the twelve force sensors 50 are formed with corresponding lines 80 to 28 and a shield 60.
  • FIG. 4 shows a cross section through the force sensor 50 formed from the capacitor plates 10 and 10 '.
  • the section runs along the lines IV shown in FIGS. 3a and 3b.
  • Above and below of the dielectric 40 are each the capacitor plate 10 and 10 ', the insulation 30, the carrier film 1 and the screening layer 60 from s.
  • the insulation 30 above the dielectric is traversed by the lines 80-82 passing below the lines 84-86. While the lines 80-82, 85, 86 are arranged so that they do not make electrical contact with have the corresponding capacitor plates 10, 10 ', the line 84 contacts the capacitor plate 10th
  • the section through the force sensor 50 which is formed from the capacitor plates 12 and 12 'in FIG. 5, runs along the lines V illustrated in FIGS. 3a and 3b.
  • the structure of the section is similar to that of FIG. 4.
  • the capacitor plate 12 or 12 ', the insulation 30, the carrier film and the shield 60 are arranged successively above and below the dielectric 40.
  • the layers S 1 to S 8 from FIGS. 3 a, 3 b are thus arranged from top to bottom in the order of S 1 to S 8, whereby a carrier foil 1 is located between S 1 and S 2 and between S 7 and S 8.
  • the dielectric 40 is located centrally between the layers S4 and S5.
  • the lines 80-82, 84, 85 extend in such a way that they have no contact with the capacitor plates 12, 12 '. However, the line 86 contacts the capacitor plate 12 '.
  • FIGS. 6a and 6b The manner of representation selected in FIGS. 6a and 6b to clarify the structure of the capacitor elements with a corresponding shielding layer 60 is largely similar to the representation of FIGS. 3a and 3b.
  • the twelve capacitor plates 10-21 and 10 '-21' and the corresponding lines 80-83 and 84-86 are arranged here only sinusoidally and form a further particularly preferred embodiment of the invention. This particularly favorable arrangement has advantages in terms of the flexibility of the sections thus formed.
  • Fig. 7 shows a plan view of a measuring surface 4, which consists of three longitudinal sections 70-72. Each section 70-72 contains twelve force sensors 50 arranged on a dielectric 40. The force sensors 50 of the individual sections can each be connected via the lines 80 to 86 to the evaluation electronics (not shown).
  • Sections 70-72 are not connected to each other and therefore can move freely against each other. This increases ductility and flexibility of the measuring surface 4.
  • the individual sections 70-71 may also be partially or completely connected to one another, for example via the dielectric. Due to the lack of lines between the individual sections 70-71, the high flexibility is maintained against each other.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Flächenverteilung von Druckkräften, die im Wesentlichen senkrecht zu einer vetformbaren Messfläche wirken. Die Messfläche utnfasst eine Anordnung von Kraftsensoren, welche jeweils durch Kondensatorelemente, die durch Druckkräfte in ihrer Kapazität veränderbar ausgebildet sind. Derartige Vorrichtungen finden Verwendung in Bereichen des Sports, der Medizin und der industriellen Fertigung. Dort ist es zur Untersuchung bestimmter Phänomene oder zur Erzielung eines bestimmten technischen Effektes nötig, die bei einem dynamischen Vorgang auftretenden Kräfte nicht nur ihrem Summenwert nach, sondern auch hinsichtlich ihrer Verteilung zu bestimmen.

Description

FLEXIBELER KRÄFTEVERTEILUNGSMESSSENSOR MIT MEHREREN SCHICHTEN
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Flächenverteilung von Druckkräften, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige Vorrichtungen zur Messung der Flächenverteilung von Druckkräften sind beispielsweise aus der EP 0 279 361 bekannt.
In vielen Bereichen der Technik, des Sportes oder der Medizin ist es nötig, zur Untersuchung bestimmter Phänomene oder zur Erzielung eines bestimmten technischen Effektes die bei einem dynamischen Vorgang auftretenden Kräfte nicht nur ihrem Summen-wert nach, sondern auch hinsichtlich ihrer Verteilung zu bestimmen. So ist es beispielsweise für den Hersteller von Sportschuhen interessant, wie sich bei Geh- oder Laufbewegungen die wirkenden Kräfte über die Fußfläche des Schuhträgers verteilen. Entsprechend können die Schuhe je nach Anwendungsgebiet optimiert werden. Federnde oder stützende Elemente können entsprechend im Schuh angeordnet werden. Daraus ergibt sich eine optimale Anpassung des Schuhs an den Träger, wobei die individuelle Kraftverteilung, die abhängig von der Anatomie des Schuhträgers und dessen B ewegungs ablaufen auftritt, berücksichtigt wird.
Auch bei der Fertigung von Sitzen, sei es für ein Auto oder einen Rollstuhl, können dynamische Kräfteverteilungsprofile entscheidend dazu beitragen, den Komfort und die Funktionalität des Sitzes zu verbessern.
Auch in der medizinischen Diagnostik finden derartige Vorrichtungen zur Messung der flächigen Verteilung von Druckkräften Anwendung. Die Druckverteilung beim Gehen eines Probanden kann beispielsweise Aufschluss übet orthopädische Schädigungen odet auch sensorische Schädigungen (z.B. bei Zuckerkranken) geben.
Entscheidend für die Qualität der Messung der flächigen Verteilung von Druckkräften ist nicht nur die Auflösung (Anzahl der Sensoren pro Flächeneinheit) der Messfläche oder die Sensorgenauigkeit, sondern auch eine exakte Anpassung der Messfläche mit den Drucksensoren an die Oberfläche auf der die Druckverteilung bestimmt werden soll. So muss beispielsweise bei der Bestimmung der Druckverteilung in einem Schuh, die Messfläche optimal an die Ausformung der Schuhsohle angepasst sein, da schlecht positionierte Messsensoren, die sich gegebenenfalls gegenseitig beeinflussen, das Ergebnisse der Kräftemessung verfälschen oder im Extremfall völlig unbrauchbar machen.
Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der flächigen Verteilung von Druckkräften derart weiterzuentwickeln, dass bei gleichbleibender Auflösung und Sensibilität der Messfläche dieselbige leicht an Oberflächen verschiedener Formen anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Insbesondere wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Messung der flächigen
Verteilung von Druckkräften, die im wesentlichen senkrecht zu einer verformbaren Messfläche wirken, die eine Anordnung von Kraftsensoren umfasst, welche jeweils durch Kondensatorelemente, die durch die Druckkräfte in ihrer Kapazität veränderbar ausgebildet und über Leitungen an eine Auswertelektronik anbindbar sind, dadurch gelöst, dass einzelne Teilmengen der Kraftsensoren mit den zugehörigen Leitungen derart sequenziell angeordnet sind, dass die Teilmengen voneinander trennbar, die Messfläche formende Abschnitte bilden.
Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung von Kraftsensoren besteht darin, dass durch die Trennbarkeit der einzelnen Abschnitte, die Flexibilität zwischen denselben sehr hoch ist. Selbst wenn die Abschnitte physikalisch verbunden sind, weisen sie keine elektrische Verbindung untereinander auf, die beispielweise bei einem starken Abknicken der Messfläche stören kann. Im anderen Fall, wenn getrennt, lassen sich die Abschnitte gegeneinander frei bewegen. Besonders in Anwendungsszenarien, bei denen die Oberfläche, auf der die Kräfteverteilung bestimmt werden soll, uneben (z.b. stufig) ausgeprägt ist, lässt sich die Erfindung optimal an- bzw. einpassen und liefert im Vergleich zu einheitlich verbundenen Messflächen wesentlich genauere Messerergebnisse. Vorzugsweise wird mindestens eine Teilstfecke der Leitungen durch die Kondensatorelemente selbst gebildet. Dies ermöglicht es, über eine minimale Anzahl von Leitungen die einzelnen Kraftsensoren an die Auswertelektronik anzubinden. Da elektrische Leitungen und die Kondensatorelemente eine relativ geringe Flexibilität haben, d.h. sie sind nur wenig dehnbar, erhöht das Einsparen von Leitungen oder Leitungsabschnitten die Flexibilität der einzelnen Abschnitte und der gesamten Messfläche.
Aus oben genanntem Grund ist auch eine Vorrichtung bevorzugt, bei der die Leitungen derart parallel zur Messfläche verlaufen, dass eine zur Oberfläche der Messfläche senkrechte Projektion der Leitungen diese weitgehend auf die Kondensatorelemente abbildet. Die Leitungen laufen also oberhalb und unterhalb der Kondensatorelemente, so dass ein möglichst kleiner Teil der verformbaren Messfläche mit Leitungen und Kondensatorelementen durchsetzt ist. Dies erhöht insbesondere die Torsionsfähigkeit der einzelnen Abschnitte, die die Messfläche bilden.
Bevorzugt hat jeder Abschnitt eine Kontaktregion am Rande des Abschnitts, an der alle Leitungen zur Anbindung der Kraftsensoren dieses Abschnitts Kontaktpunkte aufweisen. Diese Kontaktregionen dienen zur Anbindung des Abschnitts an die Auswertelektronik. Denkbar ist es auch, an dieser Stelle Steckverbindung zur Herstellung des elektrischen Kontakts bereitzustellen. Somit wird eine unnötig komplizierte Verkabelung der einzelnen Abschnitte vermieden, da das Einfügen von weiteren Leiterbahnen oder Drähten zum einen in einer geringeren Flexibilität der Vorrichtung resultiert, zum anderen die Messergebnisse verfälschen könnte.
Wenn die Kondensatorelemente und/oder die Leitungen mindestens eines Abschnittes sinus- oder schlaufenförmig entlang einer Achse parallel der Messfläche angeordnet und/oder ausgebildet sind, lässt sich eine erhöhte Dehnbarkeit der Messfläche entlang der Achse und eine bessere Torsionsfähigkeit um die Achse erzielen. Denkbar sind an dieser Stelle nicht nur Achsen, die geradlinig parallel zur Messfläche verlaufen, vielmehr können mit Kondensatorelementen und/oder Leitungen, die sinus- oder schlaufenförmig entlang von gekrümmten Achsen parallel der Messfläche angeordnet sind, die einzelnen Abschnitte in beliebiger Form gestaltet werden. So lässt sich die Erfindung auch auf Oberflächen, die keine geraden Begrenzungen besitzen, einsetzen.
Vorzugsweise sind zwischen den einzelnen Kraftsensoren eines Abschnitts die Elastizität des entsprechenden Abschnitts erhöhende Einschnitte bzw. Aussparungen vorgesehen. Diese Einschnitte bzw. Aussparungen können beispielsweise die gesamte Messfläche durchtrennen, solange die Kontakte zwischen den einzelnen Kraftsensoren bestehen bleiben. Dies erweist sich besonders vorteilhaft in Kombination mit einer, wie oben beschriebenen, sinus- oder schlaufenförmigen Ausprägung der Kondensatorelemente und/oder Leitungen, da die Einschnitte bzw. Aussparungen die Dehnbarkeit der Messfläche entlang der Achse unterstützen und die Sinus- und Schlaufenwindungen einen Bruch der weniger flexiblen Leitungen oder Kondensatorelemente verhindert.
Vorteilhaft für die Vorrichtung erweist es sich, wenn die Leitungen und/oder Kondensatorelemente auf mindestens einer Trägerfolie in Form von mehreren, elektrischen Strom leitenden Schichten getrennt durch mindestens eine nicht leitende Schicht gebildet werden. Durch dieses Anordnen oder Aufdrucken entstehen insbesondere platzsparende Leitungen und Kondensatorelemente.
Durch Aussparungen in den nichtleitenden Schichten zwischen den leitenden Schichten können auf einfache Weise Kontakte zwischen unterschiedlichen Leitungen und/oder zwischen Leitungen und Kondensatorelementen und/oder zwischen zwei Kondensatorelementen hergestellt werden.
Vorteilhaft erweist sich eine doppelseitige Bedruckung der Trägerfolie. So können auf eine Trägerfolie eine Vielzahl von leitenden und nichtleitenden Schichten auf engstem Raum, aber auch andere Schichten, wie beispielsweise eine Schicht zur elektromagnetischen Abschirmung der Vorrichtung, aufgebracht werden. Die Trägerfolie kann je nach Anwendung auch als isolierende oder nichtisolierende Schicht dienen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Ab schirmungs Schicht zur elektrischen und/oder magnetischen Abschirmung der Kraftsensoren. Diese Abschirmschicht verhindert, dass die elektrischen oder magnetischen Felder eines Kraftsensors, bestehend aus zwei Kondensatorelementen, benachbarte Kraftsensoren beeinflussen, und somit die Messergebnisse verfälscht werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines kapazitativen Kraftsensors,
- Fig. 2 ein Schaltbild mehrerer verdrahteter Kraftsensoren,
Fig. 3a einen Schichtaufbau mehrerer in einem Messabschnitt nebeneinander angeordneter oberer Kondensatorplatten, Fig. 3b einen Schichtaufbau mehrerer in einem Messabschnitt nebeneinander angeordneter unterer Kondensatorplatten,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Kraftsensor entlang der Linie IV aus den Figuren 3a und b,
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Kraftsensor entlang der. Line V aus den Figuren 3a und 3b,
- Fig. 6a einen Schichtaufbau ähnlich dem aus Fig. 3a, -wobei die
Kondensatorplatten sinusförmig angeordnet sind,
Fig. 6b einen Schichtaufbau ähnlich dem aus Fig. 3b, wobei die Kondensatorplatten sinusförmig angeordnet sind, und
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Messfläche, die aus mehreren Messabschnitten mit entsprechenden Kraftsensoren besteht.
In den nachfolgenden Beschreibungen werden für gleiche und gleichwirkende Teile die selben Bezugsziffern verwendet.
In Figur 1 wird ein kapazitativer Kraftsensor 50 gezeigt. Zwei sich parallel gegenüberliegende Kondensatorplatten 10, 10' sind über die Leitungen 83, 84 mit einer Auswertelektronik 5 verbunden. Die beiden Kondensatorplatten 10, 10' bilden einen Kondensator und sind so angeordnet, dass sich die Distanz zwischen den
Kondensatorplatten 10, 10' entsprechend einer Kraft (vgl. Kräftepfeil), die senkrecht zu den Kondensatorplatten 10,10' wirkt, verändert. Die Kapazität des Kondensators ändert sich in Abhängigkeit von der Distanz der Platten 10, 12. Mit der Auswertelektronik ist die kapazitative Veränderung messbar und gibt Aufschluss über die wirkende Kraft. Die zur Kompression des Kondensators benötigte Kraft kann beispielsweise durch das Verwenden von unterschiedlich festen Dielektrika verändert werden.
In einem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden jeweils zwölf dieser Kraftsensoren 50 zu einem Abschnitt zusammengefasst. Die Fig. 2 zeigt ein Schaltbild, in dem die zwölf Kraftsensoren 50 in einer bevorzugten Art und Weise an eine Auswertelektronik 5 (nicht gezeigt) angebunden sind. Zwölf erste Kondensatorplatten 10- 21 sind jeweils zwölf zweiten Kondensatorplatten 10'-21' gegenüberliegend angeordnet. Jedes Kondensatorplattenpaar, z.B. das Paar bestehend aus den Kondensatorplatten 10 und 10', bildet, wie bereit beschrieben, einen kapazitativen Kraftsensor 50. Über die in Fig. 2 gezeigten Leitungen 80-86 kann die Kapazität det einzelnen Kraftsensoren bestimmt werden. Die gezeigte Anordnung ist untet anderem deswegen bevorzugt, da hier mit einer minimalen Anzahl (n+m) von Leitungen 80-86 die Kondensatorplatten 10- 21, 1O'-21' so angebunden sind, dass die Kapazität einer maximalen Anzahl (n*m) von Kraftsensoren unabhängig von einander bestimmt werden kann. Zur unabhängigen
Bestimmung der Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren ist jedes einen Kraftsensor 50 bildendes Kondensatorplattenpaar über ein sich von den anderen Kondensatorplattenpaaren unterscheidendes Leitungspaar angebunden. So wird beispielsweise das Kondensatorplattenpaar bestehend aus den Kondensatorplatten 10 und 10' über das Leitungspaar 83 und 84 kontaktiert, während das Kondensatorplattenpaar 11 und 11' über das Leitungspaar 83 und 85 und das Kondensatorplattenpaar 13 und 13' über die Leitungen 80 und 86 angebunden ist.
Um die Fertigung der Kraftsensoren zu erleichtern, werden mehrere Schichten auf eine Trägerfolie 1 aufgeklebt oder aufgedruckt. Die Schichten formen dann die
Kondensatorplatten und Leitungen. Im konkreten Ausführungsbeispiel werden zwei Trägerfolien verwendet, die jeweils zwölf Kondensatorplatten bereitstellen. Die erste Trägerfolie 1 wird auf der Oberseite eines verformbaren Dielektrikums 40 (s. Fig. 4,5) und die zweite Trägerfolie auf dessen Unterseite, so angebracht, dass jeweils eine Kondensatorplatte der ersten Trägerfolie mit einer Kondensatorplatte der zweiten Trägerfolie einen Kraftsensor bildet.
In den Figuren 3a, 3b wird beispielhaft der Schichtaufbau der ersten, oberen Trägerfolie 1 bzw. der zweiten, unteren Trägerfolie 1 beschriebenen. Zur Verdeutlichung der Anordnung der Schichten sind die beiden Trägerfolien 1 in den Figuren 2a und 2b wiederholt gezeichnet, obschon für jede „Seite" einer Anordnung von Kraftsensoren jeweils nur eine einzige Folie vorgesehen ist, wie dieses auch aus den Schnittzeichnungen gemäß den Figuren 4 und 5 hervorgeht.
In Fig. 3a ist die hier gezeigte Trägerfolie 1 in zwölf gleich große Sektionen (Tl bis Tl 2) unterteilt. Zur Bildung der Kondensatorplatten 10-21 und der entsprechenden Verkabelung werden vier Schichten Sl bis S4 auf die Trägerfolie 1 aufgebracht. Schicht Sl ist eine rückseitig auf die Trägerfolie 1 aufgedruckte Abschirmungsschicht 60, die sich über die gesamte Länge der Trägerfolie 1 erstreckt. In Schicht S2 sind vorderseitig die Leitungen 80, 81, 82 auf die Trägerfolie 1 aufgebracht. Des Weiteren ist hier in Sektion Tl 2 die Kondensatorplatte 21 die Leitung 81 kontaktierend aufgebracht. In Schicht S3 wird vorderseitig auf die Trägerfolie 1 über die Schicht S2 eine Isolierung 30 mit Isolierungsaussparungen 31 aufgedruckt. Die Schicht S4, die oberhalb der Schicht S3 auf die Trägerfolie 1 aufgebracht ist, formt die verbleibenden Kondensatorplatten 10-20 der Sektionen Tl bis TIl. Während einige Kondensatorplatten 10, 11, 12 in direktem Kontakt zueinander stehen, sind andere durch Kontaktfugen 3 voneinander abgetrennt (vgl. Kondensatorplatten 12 und 13). Zur Kontaktierung der Kondensatorplatten 10, 11, 12 ist in der Schicht 4 eine Leitung 83 angebracht. Die andere Kondensatorplatten 13-20 sind über die Isolierungsaussparungen 31 direkt oder indirekt mit den Leitungen 80-82 verbunden.
Die Darstellungsweise der Fig. 3b ist der der Fig. 3a ähnlich. Die hier gezeigten Schichten verdeutlichen den Aufbau der zweiten Trägerfolie 1 mit den zwölf nebeneinander angeordneten Kondensatorplatten 1O'-21'. Auch hier werden die Kondensatorplatten 10'- 21' auf einer Trägerfolie 1 unterteilt in zwölf Sektionen Rl bis R12 aufgetragen. Hierfür werden vier Schichten S5 bis S8 auf die Trägerfolie 1 aufgebracht. Während in Schicht S8 die Ab s chirmungs schicht 60 rückseitig auf die Trägerfolie aufgebracht wird, werden alle anderen Schichten vorderseitig auf die Trägerfolie 1 aufgedruckt. Schicht S7 formt die Leitungen 84, 85, 86 sowie die Kondensatorplatten 20', 21'. Schicht S6 bildet eine
Isolierung 30 zwischen den Leitungen 84, 85, 86 und den Kondensatorplatten 1O'-19' aus Schicht S5. Kontakte zwischen den Leitungen 84, 85, 86 und den Kondensatorplatten 10'- 19' aus Schicht S5 werden auch hier über Isolierungsaussparungen 31 hergestellt. Während die Kondensatorρlatte(n) 10' und 17' bzw. 11' und 16' bzw. 12' direkt mit der Leitung 84 bzw. 85 bzw. 86 in Kontakt stehen/steht, werden die anderen Platten 13'-15', 18', 19' indirekt kontaktiert. So stehen beispielsweise die Kondensatorplatten 13'-15' indirekt über die Kondensatorplatte 12' mit der Leitung 86 in Verbindung.
Zur Verwendung der Kondensatorplatten 10-21, 10'-21' aus Fig. 3a und Fig. 3b als Kraftsensoren 50, so wie in der Fig. 1 gezeigt und vorhergehend beschrieben, werden die Trägerfolie 1 aus Fig. 3a und die Trägerfolie 1 aus Fig. 3b mit den Schichten Sl bis S4 bzw. S5 bis S8 auf ein Dielektrikum 40 (s. Fig. 4, 5) aufgebracht. Dabei sind die Sektionen Tl bis Tl 2 aus Fig. 3a den Sektionen Rl bis Rl 2 aus Fig. 3b gegenüberliegen und durch das Dielektrikum 40 getrennt. Auf diese Weise werden die zwölf Kraftsensoren 50 mit entsprechenden Leitungen 80 bis 28 und einer Abschirmung 60 ausgebildet.
Um eine bessere räumliche Vorstellung dieser zwölf Kraftsensoren 50 zu erhalten, zeigt die Fig. 4 einen Querschnitt durch den aus den Kondensatorplatten 10 und 10' gebildeten Kraftsensor 50. Der Schnitt verläuft entlang der in den Figuren 3a und 3b gezeigten Linien IV. Oberhalb und unterhalb des Dielektrikums 40 sind jeweils die Kondensatorplatte 10 bzw. 10', die Isolierung 30, die Trägerfolie 1 und die Ab s chirmungs schicht 60 angeordnet. Die Isolierung 30 oberhalb des Dielektrikums wird von den Leitungen 80-82, die unterhalb von den Leitungen 84-86 durchzogen. Während die Leitungen 80-82, 85, 86 so angeordnet sind, dass sie keinen elektrischen Kontakt zu den entsprechenden Kondensatorplatten 10, 10' aufweisen, kontaktiert die Leitung 84 die Kondensatorplatte 10.
Der in Fig. 5 gezeigt Schnitt durch den Kraftsensor 50, der aus den Kondensatorplatten 12 und 12' gebildet wird, verläuft entlang der in Fig. 3a und 3b dargestellten Linien V. Der Aufbau des Schnittes ähnelt dem aus Fig. 4. Auf gleiche Art und Weise sind auf einander folgend oberhalb und unterhalb des Dielektrikums 40 die Kondensatorplatte 12 bzw. 12', die Isolierung 30, die Trägerfolie und die Abschirmung 60 angeordnet. Die Schichten Sl bis S8 aus Fig. 3a, 3b sind also von oben nach unten in der Reihenfolge Sl bis S8 angeordnet, wobei zwischen Sl und S2 sowie zwischen S7 und S8 jeweils eine Trägerfolie 1 liegt. Mittig zwischen den Schichten S4 und S5 befindet sich das Dielektrikum 40. Im Querschnitt der Fig. 5 verlaufen die Leitungen 80-82, 84, 85 so, dass sie keinen Kontakt zu den Kondensatorplatten 12, 12' aufweisen. Die Leitung 86 kontaktiert jedoch die Kondensatorplatte 12'.
Die in Fig. 6a und Fig. 6b gewählte Darstellungsweise zur Verdeutlichung des Aufbaus der Kondensatorelemente mit entsprechender Abschirmungsschicht 60 ähnelt weitestgehend der Darstellungsweise der Figuren 3a und 3b. Die zwölf Kondensatorplatten 10-21 bzw. 1O'-21' und die entsprechenden Leitungen 80-83 bzw. 84- 86 sind hier lediglich sinusförmig angeordnet und bilden eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Diese besonders günstige Anordnung hat Vorzüge hinsichtlich der Flexibilität der so ausgebildeten Abschnitte.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine Messfläche 4, die aus drei längsförmigen Abschnitten 70-72 besteht. Jeder Abschnitt 70-72 enthält jeweils zwölf auf einem Dielektrikum 40 angeordnete Kraftsensoren 50. Die Kraftsensoren 50 der einzelnen Abschnitte lassen sich jeweils über die Leitungen 80 bis 86 an die Auswertelektronik (nicht gezeigt) anbinden.
Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung der Erfindung besteht darin, dass die
Abschnitte 70-72 untereinander nicht verbunden sind und sich daher frei gegeneinander bewegen können. Dies erhöht Verformbarkeit und Flexibilität der Messfläche 4. Dieser
Vorteil findet weitere Unterstützung durch das Anbringen von
Dielektrikumsaussparungen 41.
Alternativ können die einzelnen Abschnitte 70-71 auch teilweise oder ganz miteinander, beispielsweise über das Dielektrikum, verbunden sein. Auf Grund des Fehlens von Leitungen zwischen den einzelnen Abschnitten 70-71 bleibt die hohe Flexibilität gegeneinander erhalten.
Bezugszeichenliste: Ttägetfolie 40 Dielektrikum
Verbindung 41 Dielektrikumsausspatung
Kontaktfuge
Messfläche 50 Kraftsensor
Ausweftelekttonik
60 Ab s chitmungs s chicht 0-21 Kondensatotplatten Tl bis Tl 2 O'-21' Kondensatorplatte Rl bis Rl 2 70-72 Abschnitt Al bis A3
80-86 Leitung Ll bis L7 0 Isolierung 1 I s olierungsaus sp atung

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Messung der flächigen Verteilung von Druckkräften, die im wesentlichen senkrecht zu einer verformbaren Messfläche (4) wirken, die eine Anordnung von Kraftsensoren (50) umfasst, welche jeweils durch Kondensatorelemente (10-21, 1O'-21'), die durch die Druckkräfte in ihrer Kapazität veränderbar ausgebildet und über Leitungen (80-86) an eine Auswertelektronik (5) anbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Teilmengen der Kraftsensoren (50) mit den zugehörigen Leitungen (80- 86) derart sequentiell angeordnet sind, dass die Teilmengen voneinander trennbare, die Messfläche (4) formende Abschnitte (70-72) bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilstrecke der Leitungen (80-86) durch die Kondensatorelemente (10-21, 1O'-21') selbst gebildet wird.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (80-86) derart parallel zur Messfläche (4) verlaufen, dass eine zur Oberfläche der Messfläche (4) senkrechte Projektion der Leitungen (80-86) diese weitgehend auf die Kondensatorelemente (10-21, 10'-2F) abbildet.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abschnitt (70-72) eine Kontaktregion am Rand des Abschnitts (70-72) umfasst, an der alle Leitungen (80-86) zur Anbindung der Kraftsensoren (50) dieses Abschnitts (70-72) Kontaktpunkte aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorelemente (10-21, 1O'-21') und/oder die Leitungen (80-86) mindestens eines Abschnittes (70-72) sinus- oder schlaufenförmig, entlang einer Achse parallel zur Messfläche (4) angeordnet und/oder ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Kraftsensoren (50) eines Abschnitts (70-72) die Elastizität des entsprechenden Abschnitts (70-72) erhöhende Einschnitte oder Aussparungen (41) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (80-86) und/oder die Kondensatorelemente (10-21, 10'-21') auf mindestens einer Trägerfolie (1) in Form von mehrere elektrischen Strom leitenden Schichten, getrennt durch mindestens eine nicht leitende Schicht (30), gebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
Aussparungen (31) in den nicht leitenden Schichten (30) zwischen den leitenden Schichten zum Kontaktieren von Leitungen (80-86) und/oder Kondensatorelementen (10-21, 10'-21') vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (1) doppelseitig bedruckt ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ab schirmungs Schicht (60) zur elektrischen und/oder magnetischen Abschirmung der Kraftsensoren (50) vorgesehen ist.
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