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Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem, bei dem einzelne Bereiche von zwei leitenden Schichten, die auf jeweiligen isolierenden Trägern angeordnet und durch isolierende Abstandselemente voneinander getrennt sind und zumindest teilweise eine Vielzahl von Schalter darstellenden Kontaktelementen bilden, die durch Druckausübung auf einen oder beide Träger selektiv miteinander in Kontakt gebracht werden können. Hierbei wird durch die Druckausübung zumindest einer der Träger und/oder ein Teil der Abstandselemente elastisch verformt.
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Die einzelnen Kontaktelemente sind über Verbindungsleitungen mit einer Auswerteschaltung, beispielsweise einem Mikroprozessor, verbunden, der das Schließen der Schalter, die durch die Kontaktelemente gebildet sind, feststellt.
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Druckempfindliche Sensorsysteme zur Verwendung in Überwachungssystemen für Kraftfahrzeuge und dergleichen, beispielsweise um festzustellen, ob ein Fahrer ein Lenkrad festhält oder auf dieses eine Handkraft ausübt, sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 035940 B4 und der
DE 10 2014 007163 B3 bekannt.
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Weiterhin sind Druckempfindliche Sensorsysteme mit leitfähigem Gewebe aus der
DE 698 12 448 T2 bekannt. Die
US 2012/ 0 092 289 A1 gibt darüber hinaus Touch Panel zur Erfassung von bis zu zwei Druckpunkten auf einem Flächigen Körper an.
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Derartige druckempfindliche Sensorsysteme sind weiterhin allgemein für Anwendungen geeignet, bei denen eine Druck- oder Krafteinwirkung erfasst und oder gemessen werden soll, wie sie durch das Besetzen eines Fahrzeugsitzes oder durch eine Kraft hervorgerufen werden, die eine Aktion auslösen soll, wie zum Beispiel von Teilen oder Zubehör von Kraftfahrzeugen. Dies sind nur wenige spezielle Anwendungsmöglichkeiten, die in großer Zahl gegeben sind.
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Bei vielen Anwendungen derartiger druckempfindlicher Sensorsysteme werden diese Sensorsysteme durch eine äußere Schicht abgedeckt, die teilweise unter relativ hoher Spannung auf den eigentlichen Gegenstand, dessen Betätigung festgestellt werden soll, aufgezogen werden muss.
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Dies ist beispielsweise bei den Lenkradkränzen von Lenkrädern in Kraftfahrzeugen der Fall, die mit einer Lederumhüllung versehen sind, tritt jedoch auch bei anderen Anwendungsfällen auf, wie beispielsweise Sitz-Sensoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, um die Belegung oder andere Belastung.eines Fahrzeug-Sitzes festzustellen.
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Durch die Druckausübung durch den Überzug kann bei den bekanntem druckempfindlichen Sensoren eine zumindest teilweise Fehlbetätigung einer Anzahl der einzelnen Kontaktelemente hervorgerufen werden.
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Da derartige Fehlbetätigungen, die auch durch Temperatureinflüsse, Alterung, teilweise Beschädigung und dergleichen hervorgerufen werden können, nicht zu vermeiden und insbesondere nicht konstant sind, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Sensorsystem zu schaffen, bei dem die Auswertung der Ausgangssignale des Sensorsystems nicht durch derartige Einflüsse beeinträchtigt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das druckempfindliche Sensor-System gemäß der Erfindung schließt einen Sensor ein, bei dem einzelne Bereiche von zwei einander zugewandten leitenden Schichten, die auf jeweiligen isolierenden Trägern angeordnet und durch isolierende Abstandselemente voneinander getrennt sind, zumindest teilweise eine Vielzahl von Schalter darstellenden Kontaktelementen bilden, die so ausgebildet sind, dass sie durch eine Druckausübung auf einen oder beide Träger, bei der zumindest einer der Träger und/oder ein Teil der Abstandselemente elastisch verformt wird, selektiv miteinander in Kontakt gebracht werden können, wobei zumindest ein Teil der Kontaktelemente direkt oder indirekt mit einer Auswerteschaltung zur Erkennung einer Betätigung der Schalter verbindbar ist.
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Die Träger sind vorzugsweise elastische Folien, die elastisch zwischen den jeweiligen Abstandselementen und/oder zusammen mit diesen verformbar sind.
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Einzelne Bereiche der leitenden Schichten, die ein jeweiliges der Kontaktelemente bilden, sind gemeinsam über einen messbaren elektrischen Widerstand aufweisende Leiterbahnen mit Eingangsanschlüssen einer Auswerteschaltung verbindbar, die in Abhängigkeit von der jeweils betätigten Anzahl der Kontaktelemente und der sich daraus ergebenden Änderung des Widerstandes an den Eingangsanschlüssen sich hieraus ergebende Ausgangssignale liefert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem sind selbst dann auswertbare Sensorsignale vorhanden, wenn eines oder mehrere der Kontaktelemente bereits im Ruhezustand geschlossen oder beschädigt ist und keine gewollte Druckausübung erfolgt, da hierdurch lediglich eine Veränderung des von der Auswerteschaltung gemessenen Widerstandes hervorgerufen wir, die statisch ist und leicht von einer durch eine vorsätzliche oder gewollte Kraftausübung hervorgerufenen dynamischen Widerstandsänderung zu unterscheiden ist.
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Hierzu kann in der Auswerteschaltung ein „gleitender Mittelwert“ festgestellt und gespeichert werden. Abweichungen von diesem gespeicherten Mittelwert werden dann als Änderung der Krafteinwirkung auf den Sensor erkannt.
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Die einzelnen leitenden Bereiche können in Gruppen eingruppiert und entweder voneinander getrennt über widerstandsbehaftete Verbindungen mit jeweiligen Messeingängen oder „Ports“ einer Auswerteschaltung verbunden sein, oder es können benachbarte leitenden Bereiche zunächst miteinander und dann mit dem Anfang einer widerstandsbehafteten Verbindung verbunden sein, deren Ende mit einem Eingang der Auswerteschaltung verbunden ist.
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Hierbei sind vielfältige Kombinationen von Serien- und Parallelschaltungen möglich.
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Da die einzelnen leitenden Bereiche voneinander durch die Abstandselemente mechanisch und räumlich getrennt sind, ist es nicht zwingend erforderlich, relativ dünne Leiterbahnen auf einem oder beiden Trägern vorzusehen, da im Extremfall eine vollflächige widerstandsbehaftete Beschichtung eines oder beider Träger möglich ist, auf der die Abstandselemente angeordnet sind. In diesem Fall ergibt sich durch den jeweiligen Abstand eines leitenden Bereiches, der ein Kontaktelement oder einen Schalter bildet, von einem Anschlusspunkt der Auswerteschaltung ein jeweils unterschiedlicher Widerstand, der bei der Betätigung dieses Kontaktelementes zur Wirkung kommt und messbar ist.
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Bei einer vollflächigen widerstandsbehafteten Beschichtung eines oder beider Träger erfolgt der Anschluss der Auswerteeinrichtung vorzugsweise an Punkten der Beschichtung, die in Richtung einer Längenabmessung der Beschichtung an entgegengesetzten Enden dieser Längenabmessung auf den jeweiligen Trägern angeordnet sind und damit so weit wie möglich voneinander entfernt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines druckempfindlichen Sensors bei Verwendung auf einem Lenkradkranzes;
- 2 das als solches bekannte Grundprinzip eines druckempfindlichen Sensors;
- 3 eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Verbindung der einzelnen Bereiche der Leiterbahnen und Schalter des Sensors;
- 4 eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Verbindung der einzelnen Bereiche der Leiterbahnen und Schalter des Sensors;
- 5 eine Draufsicht auf eine Abwicklung einer Ausführungsform eines Trägers des Sensors;
- 6 eine Draufsicht auf eine Abwicklung einer weiteren Ausführungsform eines Trägers des Sensors;
- 7 eine schematische Ansicht eines Teils des Sensors, bei dem zwischen den die leitenden Schichten tragenden Trägern durch eine isolierende Lochplatte gebildete Abstandselemente angeordnet sind;
- 8 eine schematische Ansicht eines Teils des Sensors, bei dem zwischen den die leitenden Schichten tragenden Trägern streifenförmige Abstandselemente angeordnet sind;
- 9 eine schematische Ansicht eines Teils des Sensors, bei dem zwischen den die leitenden Schichten tragenden Trägern ringförmige Abstandselemente angeordnet sind;
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In 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors bei Verwendung auf einem Kern 1 gezeigt, der Teil eines Lenkrades oder anderen Teils sein kann, bei dessen Betätigung eine Druckkraft ausgeübt wird, beispielsweise durch die Hand eines Benutzers oder durch das Gewicht eines Benutzers, wenn der Sensor flächig ausgebildet und auf einem Sitz angeordnet ist.
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Der Kern ist zunächst von einer Polsterschicht 2 umgeben, auf deren Außenumfang ein durch die die Träger bildenden Folien gebildeter Sensor 3 angeordnet ist.
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Der Sensor 3 ist von einer Umhüllung, beispielsweise aus Leder, umgeben, die schon im Ruhezustand erhebliche und sich ändernde Kräfte auf den Sensor ausüben kann, was bei bekannten Sensoren zu Fehlbetätigungen führen kann.
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In
2 ist das aus der
DE 10 2010 035940 B4 bzw.
DE 10 2014 007163 B3 bekannte Grundprinzip eines Sensors gezeigt, bei dem auf den Innenflächen von zwei Trägern 5, 6 jeweils leitende Elemente oder Schichten mit übertrieben dargestellten Kontaktelementen 7, 8 versehen und durch elastisch isolierende und zusammendrückbare Abstandselemente 10 im Normalzustand in Abstand voneinander gehalten werden.
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Die Träger sind vorzugsweise durch Folien gebildet, so dass bei einer Verformung der Folien und/oder der Abstandselemente durch äußere Krafteinwirkung die Kontaktelemente 7, 8 miteinander in Kontakt kommen und in einer beispielsweise in den 3 bis 5 dargestellten Auswerteschaltung 100 zu verarbeitende Signale erzeugen können.
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Bei einer derartigen Anwendung ist der Lenkradkranz 1 aus starrem hartem Material hergestellt und in vielen Fällen zunächst mit einer Polsterschicht 2 überzogen, auf die das miteinander verbundene Sensorfolien-Paar 3 aufgebracht werden, wobei dieses Sensorfolien-Paar abschließend durch eine beispielsweise aus Leder oder ähnlichem Material bestehende Abdeckung 4 abgedeckt ist.
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Insbesondere im Fall einer Lederumhüllung wird diese Umhüllung mit relativ hoher Kraft auf das durch den Kern, die Schaumstoffschicht, das Sensorsystem und gegebenenfalls weitere Schichten gebildete System aufgezogen, so dass es dazu kommen kann, dass einige der Kontakte schon im Ruhezustand betätigt werden.
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Um dennoch eine Auswertung der von dem Sensorsystem gelieferten Signale zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die einzelnen Kontaktbereiche über einen Widerstand aufweisende Leiterbahnen oder Leiterflächen mit jeweiligen Eingängen einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.
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Auf diese Weise ergibt sich selbst bei einigen Kontaktelementen, die bereits im Ruhezustand betätigt sind, eine Auswertemöglichkeit, da zusätzlich betätigte, vorher nicht betätigte Kontaktelemente eine Parallelschaltung weiterer Widerstände der Leiterbahnen oder Leiterflächen bewirken, so dass sich trotz einiger im Ruhezustand kurzgeschlossener Kontaktelemente eine Auswertemöglichkeit durch die mit einer Gruppe von Kontaktelementen verbundene Auswerteschaltung ergibt.
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Auf diese Weise ist es möglich, in der Auswerteschaltung einen Ist-Zustand der über die elektrischen Widerstände an einen Eingang der Auswerteschaltung angeschlossenen Kontaktelemente zu speichern und eine Veränderung dieses Ist-Zustandes bei einer Betätigung durch zusätzlich geschlossene Kontaktelemente oder das Öffnen vorher geschlossener Kontaktelemente festzustellen.
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In 3 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gezeigt, bei der ein Mikroprozessor MC 100 als Auswerteschaltung gezeigt ist, obwohl auch andere elektronische Bauelemente, wie Vergleicher, hierzu Verwendung finden können, da lediglich eine Widerstandsänderung festgestellt werden muss..
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Der Mikroprozessor MC 100 verfügt über eine Anzahl von Eingängen, die jeweils mit einer bestimmten Anzahl von Kontaktelementen über widerstandsbehaftete Leiterbahnen auf den jeweiligen außen liegenden Folien verbunden sind, so dass an jedem Eingang des Mikroprozessors eine größere Anzahl von Kontaktelementen angeschlossen ist.
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Je nach der Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt beschlossenen Kontaktelemente ergibt sich am Eingang des Mikroprozessors durch die Parallel- oder Serienschaltung der Anzahl von Kontaktelementen eine Widerstandsänderung, die ausgewertet werden kann.
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Da in der Auswerteschaltung lediglich ein vorgegebener Ist-Zustand mit einem nachfolgenden Ist-Zustand verglichen wird, ist die Anzahl der bereits im Ruhezustand geschlossenen Kontaktelemente ohne Bedeutung, sofern sich diese Anzahl der Kontaktelemente bei einer Betätigung oder Nicht-Betätigung ändern kann.
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In 3 ist lediglich eine einzige mit dem Mikroprozessor 100 verbundene Eingangsleitung L1 gezeigt die einen Teil der widerstandsbehafteten Beschichtung eines ersten Trägers 5 bilden kann, obwohl in praktischen Ausführungsformen eine Vielzahl von derartigen Eingangsleitungen verwendet werden kann.
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Die widerstandsbehaftete Beschichtung des zweiten oberen Trägers kann vollflächig sein und ist mit Masse oder einem anderen Anschluss des Mikroprozessors verbunden.
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Schalter S1 bis Sn, die durch Kontaktelemente zwischen den beiden die Beschichtung tragenden Trägern gebildet ist, wie dies in Figur durch die Kontaktelemente 7,8 und die Träger 5,6 verdeutlicht ist, werden bei Druckausübung auf einen oder beide Träger geschlossen und verbinden die (in 3 nicht dargestellte) Beschichtung des unteren Trägers 6 über jeweilige widerstandsbehaftete Leiterbahnen, die als Widerstände R1 bis RN dargestellt sind, mit der Eingangsleitung L1.
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Wenn alle Schalter offen sind, das heißt, das keine Druckausübung erfolgt, so ist der mit der Leitung L1 verbundene Eingang des Mikroprozessors mit einem sehr hohen Eingangswiderstand abgeschlossen.
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Wenn beispielsweise der Schalter S1 durch Druckausübung geschlossen wird, so wird die Eingangsleitung L1 über den Widerstand R1 mit Masse verbunden, und der Mikroprozessor erkennt eine Widerstandsänderung.an seinem Eingangsanschluss.
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Ein Schließen weiterer der Schalter S1 bis Sn verringert den mit dem Eingansanschluss des Mikroprozessors verbundenen Widerstand weiter, so dass selbst bei einem durch äußere Störeinflüsse hervorgerufenen dauernden Schließen eines oder mehrerer der Schalter ein Schließen oder Öffnen weiterer Schalter als Widerstandsänderung am Eingan des Mikroprozessors erkennbar bleibt.
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In 5 ist eine Schaltung gezeigt, die sich von der nach 3 durch eine teilweise Serienschaltung anstelle einer Parallelschaltung unterscheidet. Hier ist die Leiterbahn L1 teilweise durch widerstandsbehaftete Leiterbahn-Abschnitte gebildet, die durch Widerstände R1 bis Rn symbolisiert ist. Die Schalter S1 bis Sn schließen die „Verbindungsstellen“ zwischen den Leiterbahn-Abschnitten gegen Masse kurz, so dass am Eingang des Mikroprozessors eine Widerstandsänderung auftritt.
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Diese Anordnung kann bei sehr langen Sensoren vorteilhaft sein,
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Zusätzlich ist in 4 eine Eingangsleitung L3 gezeigt, die von dem mit dem Mikroprozessor verbundenen Ende der Eingangsleitung L1 mit dieser und dann ebenfalls mit einem weiteren Eingangsanschluss de Mikroprozessors verbunden sein kann.
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In 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der eine der die Beschichtung tragenden Folien vollflächig beschichtet ist, und die aus einem Mittelsteg besteht, der als die „Widerstände“ R10, R11, ...RN tragender Träger, beispielsweise 5 nach 2, dargestellt ist.
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Von diesem Mittelsteg aus erstrecken sich Laschen in entgegengesetzten Richtungen quer zur Längsachse des Mittelstegs. Diese Laschen können beispielsweise um einen mehr oder weniger zylindrischen oder stabformigen Körper herum gelegt werden und bilden ausgehend von ihrem freien Ende „Widerstände“ R1 bis R3 aus, die jedoch in der Praxis ebenfalls durch eine durchgehende widerstandsbehaftete Beschichtung gebildet sind.
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Der jeweilige Widerstand vom Eingang des Mikroprozessor aus nimmt damit kontinuierlich zum freien Ende des Mittelsteges und von diesem aus in Richtung af die freien Enden der Laschen zu.
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Auf der Beschichtung des Mittelsteges und der Laschen sind wiederum Abstandselemente 10 angeordnet, die die Beschichtung nicht unterbrechen, diese jedoch in einzelne Betätigungsbereiche unterteilen. Über diesen Abstandselementen 10 ist die Beschichtung des in dieser Figur nicht gezeigten zweiten Trägers angeordnet, die wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen mit Masse oder einem weiteren Eingang des Mikroprozessors verbunden ist und vollflächig sein kann.
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Die 6 bis 9 dienen zur Verdeutlichung weiterer denkbarer Formen der Abstandselemente zwischen den beiden Trägern 5 und 6 nach 2.
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In 6 sind diese Abstandselemente linienförmig und können entweder auf einer vollflächigen Beschichtung oder zwischen einzelnen Leiterbahnen angeordnet sein.
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In 7 sind die Abstandselemente gemeinsam durch eine elastische und isolierende Lochplatte 10 gebildet, durch deren Öffnungen hindurch die Kontaktelemente der Beschichtungen 7,8 der einzelnen Träger bei Druckausübung miteinander in Kontakt gebracht werden können.
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In 8 sind die Abstandselemente durch elastische und isolierende Streifen 10 gebildet, zwischen denen die Kontaktelemente der Beschichtungen 7,8 der einzelnen Träger bei Druckausübung miteinander in Kontakt gebracht werden können.
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In 8 sind die Abstandselemente durch elastische und isolierende Ringe 10 gebildet, durch deren Öffnungen hindurch die Kontaktelemente der Beschichtungen 7,8 der einzelnen Träger bei Druckausübung miteinander in Kontakt gebracht werden können.
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Insbesondere die Ausführungsbeispiele nach den 5 bis 9 eignen sich für eine vollflächige Beschichtung der beiden Träger, so dass keine schmalen Leiterbahnen erforderlich sind, bei denen die Gefahr einer Beschädigung besteht.
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Bei vollflächiger Beschichtung und widerstandsbehaftetem Beschichtungsmaterial hängt der Widerstand zwischen den Kontaktbereichen und dem Eingangsanschluss des Mikroprozessors lediglich von dem Abstand zwischen den Kontaktbereichen und diesem Eingangsanschluss ab.
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Da bei dem erfinungsgemäßen Sensor lediglich die Innenseiten der Träger mit einer Beschichtung zu Erzielung der Sensorfunktion benötigt werden, können auf der Außenseite der Träger weitere Funktionselemente, wie zum Beispiel eine Beheizung, angeordnet werden.
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Da die einzelnen Kontaktelemente bei ihrem Schließen in Abhängigkeit von ihrer Position unterschiedliche Widerstandsänderungen am Eingang des Mikroprozessors ergeben, können diese Widerstandsänderungen weiterhin zur Ermittlung der Position eines jeweils betätigten Kontaktelementes verwendet werden.
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Alle Abstandselemente können beispielsweise im Siebdruckverfahren oder andere Verfahren auf die Beschichtungen und die Träger selbst aufgebracht werden.
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Aufgrund des geringen Abstandes der Beschichtungen der beiden Träger ist es weiterhin möglich, den durch die beiden Träger gebildeten Sensor auf dreidimensionale Gebilde, die betätigt werden und deren Betätigung durch das Sensorsystem erfasst werden soll, thermisch zu verformen.
