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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Flächenverteilung
von Druckkräften, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Derartige
Vorrichtungen zur Messung der Flächenverteilung
von Druckkräften
sind beispielsweise aus der
EP
0 279 361 bekannt.
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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 Summenwert
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 Bewegungsabläufen
auftritt, berücksichtigt
wird.
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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.
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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 über
orthopädische
Schädigungen
oder auch sensorische Schädigungen
(z.B. bei Zuckerkranken) geben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
wird mindestens eine Teilstrecke 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung eine Abschirmungsschicht 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.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung beschrieben, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines kapazitativen Kraftsensors,
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2 ein
Schaltbild mehrerer verdrahteter Kraftsensoren,
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3a einen
Schichtaufbau mehrerer in einem Messabschnitt nebeneinander angeordneter oberer
Kondensatorplatten,
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3b einen
Schichtaufbau mehrerer in einem Messabschnitt nebeneinander angeordneter
unterer Kondensatorplatten,
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4 einen
Schnitt durch einen Kraftsensor entlang der Linie IV aus den
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3a und
b,
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5 einen
Schnitt durch einen Kraftsensor entlang der. Line V aus den
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3a und 3b,
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6a einen
Schichtaufbau ähnlich
dem aus 3a, wobei die Kondensatorplatten
sinusförmig
angeordnet sind,
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6b einen
Schichtaufbau ähnlich
dem aus 3b, wobei die Kondensatorplatten
sinusförmig
angeordnet sind, und
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7 eine
Draufsicht auf eine Messfläche, die
aus mehreren Messabschnitten mit entsprechenden Kraftsensoren besteht.
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In
den nachfolgenden Beschreibungen werden für gleiche und gleichwirkende
Teile die selben Bezugsziffern verwendet.
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In 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.
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In
einem nachfolgend erläuterten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden jeweils zwölf
dieser Kraftsensoren 50 zu einem Abschnitt zusammengefasst.
Die 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 2 gezeigten Leitungen 80–86 kann die
Kapazität
der einzelnen Kraftsensoren bestimmt werden. Die gezeigte Anordnung
ist unter anderem deswegen bevorzugt, da hier mit einer minimalen
Anzahl (n+m) von Leitungen 80–86 die Kondensatorplatten 10–21, 10'–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.
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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. 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.
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In
den 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 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 4 und 5 hervorgeht.
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In 3a ist
die hier gezeigte Trägerfolie 1 in zwölf gleich
große
Sektionen (T1 bis T12) unterteilt. Zur Bildung der Kondensatorplatten 10–21 und
der entsprechenden Verkabelung werden vier Schichten S1 bis S4 auf
die Trägerfolie 1 aufgebracht.
Schicht S1 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 T12 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 10–21 der
Sektionen T1 bis T11. 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.
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Die
Darstellungsweise der 3b ist der der 3a ähnlich.
Die hier gezeigten Schichten verdeutlichen den Aufbau der zweiten
Trägerfolie 1 mit den
zwölf nebeneinander
angeordneten Kondensatorplatten 10'–21'. Auch hier werden die Kondensatorplatten 10'–21' auf einer Trägerfolie 1 unterteilt
in zwölf
Sektionen R1 bis R12 aufgetragen. Hierfür werden vier Schichten S5
bis S8 auf die Trägerfolie 1 aufgebracht.
Während
in Schicht S8 die Abschirmungsschicht 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 10'–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
Kondensatorplatte(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.
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Zur
Verwendung der Kondensatorplatten 10–21, 10'–21' aus 3a und 3b als
Kraftsensoren 50, so wie in der 1 gezeigt
und vorhergehend beschrieben, werden die Trä gerfolie 1 aus 3a und
die Trägerfolie 1 aus 3b mit
den Schichten S1 bis S4 bzw. S5 bis S8 auf ein Dielektrikum 40 (s. 4, 5)
aufgebracht. Dabei sind die Sektionen T1 bis T12 aus 3a den
Sektionen R1 bis R12 aus 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.
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Um
eine bessere räumliche
Vorstellung dieser zwölf
Kraftsensoren 50 zu erhalten, zeigt die 4 einen
Querschnitt durch den aus den Kondensatorplatten 10 und 10' gebildeten
Kraftsensor 50. Der Schnitt verläuft entlang der in den 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 Abschirmungsschicht 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.
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Der
in 5 gezeigt Schnitt durch den Kraftsensor 50,
der aus den Kondensatorplatten 12 und 12' gebildet wird,
verläuft
entlang der in 3a und 3b dargestellten
Linien V. Der Aufbau des Schnittes ähnelt dem aus 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 S1 bis
S8 aus 3a, 3b sind
also von oben nach unten in der Reihenfolge S1 bis S8 angeordnet,
wobei zwischen S1 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 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'.
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Die
in 6a und 6b gewählte Darstellungsweise
zur Verdeutlichung des Aufbaus der Kondensatorelemente mit entsprechender
Abschirmungsschicht 60 ähnelt
weitestgehend der Darstellungsweise der 3a und 3b.
Die zwölf
Kondensatorplatten 10–21 bzw. 10'–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.
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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.
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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.
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- 1
- Trägerfolie
- 2
- Verbindung
- 3
- Kontaktfuge
- 4
- Messfläche
- 5
- Auswertelektronik
- 10–21
- Kondensatorplatten
T1 bis T12
- 10'–21'
- Kondensatorplatte
R1 bis R12
- 30
- Isolierung
- 31
- Isolierungsaussparung
- 40
- Dielektrikum
- 41
- Dielektrikumsaussparung
- 50
- Kraftsensor
- 60
- Abschirmungsschicht
- 70–72
- Abschnitt
A1 bis A3
- 80–86
- Leitung
L1 bis L7