DE102018006914A1 - Area force sensor unit - Google Patents

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Abstract

Eine flächenhafte Kraft-Sensoreinheit für Kraft- und/oder Drucksensorsysteme umfasst erste und zweite isolierende Folien (1, 2), die übereinander angeordnet sind und auf ihren einander zugewandten Flächen erste und zweite widerstandsbehaftete Leiterbahnmuster (3, 4) tragen, zwischen denen elastisch verformbare Abstandselemente (7) angeordnet sind, die zumindest eines der ersten und zweiten Leiterbahnmuster in eine Vielzahl von Einzelbereichen unterteilen. Die Leiterbahnmuster weisen Auswerteschaltungs-Anschlüsse (5, 6) auf, die in zumindest einer axialen Richtung an einander entgegengesetzten Enden der Sensoreinheit ausgebildet sind. Bei einem Kontakt zwischen den Leiterbahnmustern in einem oder mehreren Einzelbereichen ergeben sich jeweils unterschiedliche Widerstandswerte zwischen den Anschlüssen. Die Auswerteschaltung umfasst einen Mikrokontroller, der in aufeinander folgenden Taktperioden die Widerstandswerte an den Anschlüssen misst und speichert, und eine Vergleicher-Einheit (121) zum Vergleich des aktuellen Widerstandswertes mit den gespeicherten Widerstandswerten und zur Abgabe eines Ausgangssignals ausgebildet ist, wenn der aktuelle Widerstandswert von den jeweils gespeicherten Widerstandswerten um einen vorgegebenen Betrag abweicht.A planar force sensor unit for force and / or pressure sensor systems comprises first and second insulating foils (1, 2) which are arranged one above the other and on their mutually facing surfaces carry first and second resistive conductor track patterns (3, 4), between which elastically deformable ones Spacer elements (7) are arranged which subdivide at least one of the first and second conductor pattern into a plurality of individual areas. The conductor track patterns have evaluation circuit connections (5, 6) which are formed in at least one axial direction at opposite ends of the sensor unit. When there is contact between the conductor track patterns in one or more individual areas, there are different resistance values between the connections. The evaluation circuit comprises a microcontroller, which measures and stores the resistance values at the connections in successive clock periods, and a comparator unit (121) is designed to compare the current resistance value with the stored resistance values and to output an output signal if the current resistance value of deviates from the respectively stored resistance values by a predetermined amount.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf flächenhafte Kraft-Sensoreinheiten für Sensorsysteme, mit ersten und zweiten isolierenden Folien, die übereinander angeordnet sind und auf ihren einander zugewandten Flächen erste und zweite Leiterbahnmuster tragen, zwischen denen elastisch verformbare Abstandselemente angeordnet sind. Die Folien sind durch die Abstandselement elastisch voneinander fort vorgespannt. Durch Ausüben einer Kraft auf zumindest eine der Folien kann ein Kontakt zwischen den ersten und den zweiten Leiterbahnenmustern hergestellt werden. Zumindest eines der ersten und zweiten Leiterbahnmuster ist durch die Abstandselemente in eine Vielzahl von Kontaktbereichen unterteilt, in denen bei einer Kraftausübung auf zumindest eine der Folien ein Kontakt zwischen den Leiterbahnmustern der ersten und der zweiten Folie erfolgt, wobei die Leiterbahnmuster auf den Folien zumindest teilweise durch widerstandsbehaftete Beschichtungen gebildet sind, die einen vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand aufweisen. Die ersten und zweiten Leiterbahnmuster weisen Anschlüsse zur Verbindung mit einer Auswerteschaltung auf, die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Position und der Anzahl der durch Kraftausübung und Zusammendrückung der Abstandselemente resultierenden Widerstandswerte abgibt,The present invention relates to areal force sensor units for sensor systems with first and second insulating foils which are arranged one above the other and carry first and second conductor track patterns on their mutually facing surfaces, between which elastically deformable spacer elements are arranged. The foils are resiliently biased away from one another by the spacer element. By exerting a force on at least one of the foils, contact can be established between the first and the second conductor track patterns. At least one of the first and second conductor pattern is divided by the spacer elements into a plurality of contact areas, in which, when force is exerted on at least one of the foils, there is contact between the conductor pattern of the first and the second foil, the conductor pattern on the foils being at least partially through resistive coatings are formed which have a predetermined electrical surface resistance. The first and second conductor track patterns have connections for connection to an evaluation circuit which emits an output signal as a function of the position and the number of resistance values resulting from the application of force and compression of the spacer elements,

Druck- oder kraftempfindliche Sensorsysteme werden in vielen Überwachungssystemen verwendet. Beispielweise werden sie in Kraftfahrzeugen und dergleichen verwendet, festzustellen, ob ein Fahrer ein Lenkrad festhält oder auf dieses eine Handkraft ausübt oder dieses aufgrund eine Übermüdung oder eines Gesundheitsproblems das Lenkrad oder ein anderes Steuerelement losläßt, wobei als Beispiel auf die DE 102010035940 B4 und die DE 102014007163 verwiesen wird. Gleiche druckempfindliche Sensorsysteme sind weiterhin allgemein für Anwendungen geeignet, bei denen eine Druck- oder Krafteinwirkung erfasst oder gemessen werden soll, wie sie bei einem Unfall, durch das Besetzen eines Fahrzeugsitzes oder durch eine Kraft hervorgerufen wird, die eine Aktion auslösen soll, wie zum Beispiel von Steuerelemneten oder Zubehör von Kraftfahrzeugen. Andere Beispiele sind Regalsysteme, bei denen der Füllzustand einzelner Fächer laufend überwacht werden soll. Dies sind nur wenige spezielle Anwendungsmöglichkeiten, die in großer Anzahl gegeben sind.Pressure or force sensitive sensor systems are used in many monitoring systems. For example, they are used in automobiles and the like to determine whether a driver is holding a steering wheel or exerting a hand force thereon or releasing the steering wheel or other control element due to fatigue or a health problem, for example, to the DE 102010035940 B4 and the DE 102014007163 is referred. The same pressure-sensitive sensor systems are furthermore generally suitable for applications in which a pressure or force action is to be recorded or measured, such as is caused in an accident, by occupying a vehicle seat or by a force which is intended to trigger an action, for example of control elements or accessories of motor vehicles. Other examples are shelf systems in which the filling status of individual compartments is to be continuously monitored. These are just a few special applications that are available in large numbers.

Da bei vielen Anwendungen derartige Sensorsysteme unter einer äußeren Abdeckung angeordnet werden, sollten die Sensoreinheiten nur eine geringe Dicke senkrecht zu ihrer Hauptfläche aufweisen, damit das Aussehen des Gegenstandes, auf dem sie angebracht sind, nicht beeinflusst wird. Da die Abdeckungen teilweise unter relativ hoher mechanische Spannung auf den eigentlichen Gegenstand, dessen Betätigung festgestellt werden soll, aufgezogen werden müssen, ergibt sich bei geringen Abmessungen der Abstandselemente oder auch bei übermäßigen Druck- oder Krafteinwirkungen die Gefahr von dauernden lokalen Zusammendrückungen der Folien und damit eine Fehlbetätigung. Dies ist beispielsweise bei den Lenkradkränzen von Lenkrädern in Kraftfahrzeugen der Fall, die mit einer Lederumhüllung versehen sind, unter der das Sensorsystem angeordnet ist, tritt jedoch bei anderen Anwendungsfällen auf, wie beispielsweise Sitz-Sensoren, die in Kraftfahrzeugsitzen verwendet werden, um eine Belegung oder andere Belastung des Fahrzeug-Sitzes festzustellen. Durch die Druckausübung durch den Sitz-Überzug kann bei bekannten druckempfindlichen Sensoren eine zumindest teilweise Fehlbetätigung einer Anzahl der einzelnen Kontaktelemente hervorgerufen werden.Since in many applications such sensor systems are arranged under an outer cover, the sensor units should only have a small thickness perpendicular to their main surface so that the appearance of the object on which they are mounted is not affected. Since the covers have to be pulled onto the actual object, the actuation of which is to be determined, in some cases with relatively high mechanical tension, there is a risk of permanent local compression of the foils with small dimensions of the spacer elements or also in the event of excessive pressure or force, and thus a Incorrect operation. This is the case, for example, in the steering wheel rims of steering wheels in motor vehicles, which are provided with a leather covering under which the sensor system is arranged, but occurs in other applications, such as, for example, seat sensors which are used in motor vehicle seats in order to determine occupancy or determine other load on the vehicle seat. In known pressure-sensitive sensors, the pressure exerted by the seat cover can cause an at least partial incorrect actuation of a number of the individual contact elements.

Da derartige Fehlbetätigungen, die auch durch Temperatureinflüsse, Alterung, teilweise Beschädigung oder dergleichen hervorgerufen werden können, nicht zu vermeiden und insbesondere auch zumeist nicht konstant sind, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Sensorsystem zu schaffen, bei der die Auswertung der Ausgangssignale des Sensorsystems durch derartige Einflüsse nicht beeinträchtigt wird.Since such incorrect operations, which can also be caused by temperature influences, aging, partial damage or the like, cannot be avoided and in particular are mostly not constant, the object of the present invention is to provide a sensor system in which the evaluation of the output signals of the Sensor system is not affected by such influences.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention specified in claim 1.

Vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous refinements and developments of the invention result from the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen noch näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to embodiments shown in the drawing.

In der Zeichnung zeigen:

  • 1 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines nicht beschränkenden Beispiels einer Ausführungsform des Aufbaus eines Sensorsystems unter Verwendung einer Ausführungsform der Sensoreinheit;
  • 2 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform nach 1;
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer Folie mit einer ersten Ausführungsform des Leitebahnmusters;
  • 4a eine Ausführungsform einer ersten Folie der Sensoreinheit mit einem flächenhaft durchgehenden Leiterbahnmuster, wie sie bei dem Leiterbahnmuster nach den 3 und 4b verwendbar ist;
  • 4b eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer zweiten Folie der Sensoreinheit mit darauf angeordneten Abstandselementen;
  • 5a eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der ersten Folie mit einem durchgehenden Leiterbahn-Muster;
  • 5b eine Draufsicht auf eine zusammen mit der ersten Folie nach 5a zu verwendenden Ausführungsform einer zweiten Folie mit einem streifenförmigen Leiterbahn-Muster;
  • 6 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der zweiten Folie mit einer Mehrzahl von einzelnen Leiterbahn-Flächen, die über widerstandsbehaftete Leiterbahnen miteinander in Serie und parallel geschaltet sind.
  • 7 eine Ausführungsform der Anwendung eines oder mehrerer der Sensoreinheiten nach den 3, 4a, 4b beziehungsweise 5a, 5b in Verbindung mit einer ersten Folie nach den
  • 4a und 5a mit einer zweiten Folie nach den 3, 4b oder 5b für die Verwendung auf dem Lenkrad eines Fahrzeuges.
  • 8 eine Ausführungsform einer Anzahl von Sensoreinheiten, die in Textilien beziehungsweise einem Helm eingewebt oder eingebettet sein können, sowie deren Auswertung.
  • 9 eine Ausführungsform einer Auswerteschaltung für die Sensoreinheiten nach den 1 bis 8.
The drawing shows:
  • 1 an exploded perspective view of a non-limiting example of an embodiment of the construction of a sensor system using an embodiment of the sensor unit;
  • 2 a cross-sectional view of the embodiment of 1 ;
  • 3 a perspective view of a film with a first embodiment of the guideway pattern;
  • 4a an embodiment of a first film of the sensor unit with a planar continuous conductor pattern, as in the conductor pattern according to the 3 and 4b is usable;
  • 4b a plan view of a third embodiment of a second film of the sensor unit with spacer elements arranged thereon;
  • 5a a plan view of a further embodiment of the first film with a continuous conductor track pattern;
  • 5b a plan view of a together with the first film 5a Embodiment of a second film to be used with a strip-shaped conductor track pattern;
  • 6 a plan view of a further embodiment of the second film with a plurality of individual conductor track surfaces which are connected in series and in parallel with one another via resistive conductor tracks.
  • 7 an embodiment of the application of one or more of the sensor units according to the 3 . 4a . 4b respectively 5a . 5b in connection with a first film after the
  • 4a and 5a with a second film after the 3 . 4b or 5b for use on the steering wheel of a vehicle.
  • 8th An embodiment of a number of sensor units that can be woven or embedded in textiles or a helmet, and their evaluation.
  • 9 an embodiment of an evaluation circuit for the sensor units according to the 1 to 8th ,

In 1 ist eine perspektivische Ansicht des Sensorteils eines Sensorsystems gezeigt, dasr auf einem Trägerteil 20 angeordnet ist, das der Lenkradkranz oder ein anderer Betätigungsteil einer Fahrzeugs, die Innenfläche eines Bekleidungsstückes oder Helms, eine Auflagefläche eines Regalsystems oder einer anderen Oberfläche 24 sein kann, auf die eine Kraft oder ein Druck ausgeübt werden kann, der erfasst und ausgewertet werden soll.In 1 a perspective view of the sensor part of a sensor system is shown, which is on a carrier part 20th is arranged, the steering wheel rim or another actuating part of a vehicle, the inner surface of a piece of clothing or a helmet, a support surface of a shelving system or another surface 24 can be on which a force or pressure can be exerted, which is to be recorded and evaluated.

Die Oberseite des Sensorteils kann durch eine Abdeckung 23 gebildet sein, die beispielsweise im Fall eines Lenkradkranzes eine äußere Lederumhüllung oder im Fall eines Fahrzeugsitzes ein Lederüberzug sein kann, die unter Ausübung einer erheblichen Zugkraft um den Lenkradkranz oder Sitz herum aufgezogen und vernäht wird.The top of the sensor part can be covered 23 be formed, which can be, for example, an outer leather covering in the case of a steering wheel rim or a leather cover in the case of a vehicle seat, which is pulled up and sewn around the steering wheel rim or seat while exerting a considerable tensile force.

Unter der Abdeckung 23 kann sich eine Polster- oder Isolierschicht 22 befinden, die zum Ausgleich von Unebenheiten des Unterbaus dient.Under the cover 23 can be a cushion or insulating layer 22 located, which serves to compensate for unevenness in the substructure.

Unter der Abdeckung 23 oder der Polsterschicht 22 ist eine erste Folie 1 der Sensoreinheit angeordnet. Diese erste Folie 1 weist auf ihrer Unterseite gemäß den 1 und 2 ein erstes Leiterbahnmuster 3 auf, das gemäß den 4a und 5a als vollflächige Beschichtung aus einem einen Flächenwiderstand aufweisenden Material sein kann, jedoch auch eine Struktur aufweisen kann, wie sie nachfolgend hinsichtlich der zweiten Folie 2 beschrieben wird.Under the cover 23 or the cushion layer 22 is a first slide 1 arranged the sensor unit. This first slide 1 points on its underside according to the 1 and 2 a first trace pattern 3 on that according to the 4a and 5a can be a full-area coating of a material having a sheet resistance, but can also have a structure as described below with regard to the second film 2 is described.

Auf der in den 1 und 2 oberen Oberfläche der ersten Folie 1 kann eine Heizleiterschicht 21 angeordnet sein.On the in the 1 and 2 top surface of the first slide 1 can be a heating conductor layer 21 be arranged.

Unter der ersten Folie 1 ist eine zweite Folie 2 der Sensoreinheit angeordnet, die ein zweites Leiterbahnmuster 4 trägt, für das vorteilhafte Ausführungsformen in den 3, 4b, 5b und 6 dargestellt sind.Under the first slide 1 is a second slide 2 the sensor unit arranged, the a second conductor pattern 4 bears for the advantageous embodiments in the 3 . 4b . 5b and 6 are shown.

Zwischen den Leiterbahnmustern 3 und 4 sind elastisch zusammendrückbare Abstandselemente 7 angeordnet, die das erste Leiterbahnmuster 3 auf Abstand von dem Leiterbahnmuster 4 einer zweiten Folie 25 halten und nur bei einer Kraft- oder Druckausübung einen Kontakt zwischen den Leiterbahnmustern 3, 4 der beiden Folien 1, 2 ergeben.Between the conductor pattern 3 and 4 are elastically compressible spacers 7 arranged which the first conductor pattern 3 at a distance from the conductor pattern 4 a second slide 25th hold and only when the force or pressure is exerted contact between the conductor pattern 3 . 4 of the two slides 1 . 2 surrender.

Die zweite Folie 2 liegt vorzugsweise direkt auf dem Trägerteil 20 auf, das ein Widerlager bei einer Kraft- oder Druckausübung bildet.The second slide 2 preferably lies directly on the carrier part 20th which forms an abutment when force or pressure is exerted.

In 1 ist ein relativ einfaches Leiterbahnmuster 4 der zweiten Folie 2 dargestellt, das aus einer zentralen Leiterbahn 24 besteht, von der aus sich unter einem rechten Winkel und unter Abständen voneinander weitere Leiterbahnabschnitte 25 erstrecken. Sowohl die zentrale Leiterbahn 24 als auch die weiteren Leiterbahnabschnitte 25 sind durch die Abstandselemente 7 in einzelne Bereiche unterteilt, in denen bei einer Kraft- oder Druckausübung eine Kontaktgabe erfolgen kann.In 1 is a relatively simple trace pattern 4 the second slide 2 shown that from a central conductor track 24 consists of which at a right angle and at a distance from each other further track sections 25th extend. Both the central trace 24 as well as the other conductor track sections 25th are through the spacer elements 7 divided into individual areas in which contact can be made when force or pressure is exerted.

An einem ersten, bei der Ausführungsform in 1 linken, Ende der zentralen Leiterbahn 24 des zweiten Leiterbahnmusters 4 ist ein erster Anschluss 6 für eine Auswerteschaltung vorgesehen, die nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Leiterbahn 3 des ersten Leiterbahnmusters 3 ist auf dem dem ersten Ende entgegengesetzten rechten Ende mit einem zweiten Anschluss 5 für die Auswerteschaltung versehen, der dem in 1 rechten zweiten Ende der zentralen Leiterbahn 24 gegenüberliegt, von diesem jedoch durch die Abstandselemente 7 im kraftfreien Zustand getrennt ist. Selbst bei einer dauernden Zusammendrückung der Leiterbahnmuster 3, 4 an diesem Ende, die durch die Konstruktion und Herstellung der äußeren Abdeckung 23 hervorgerufen sein könnte, ergeben sich hierdurch an den Anschlüssen 5 und 6 mess- und auswertbare Änderungen des Widerstandswertes zwischen diesen Anschlüssen bei einer zu erfassenden Kraft- oder Druckausübung in den Bereichen zwischen den genannten Enden.On a first, in the embodiment in 1 left, end of the central trace 24 of the second conductor pattern 4 is a first connection 6 provided for an evaluation circuit, which will be explained in more detail below. The conductor track 3 of the first trace pattern 3 is on the right end opposite the first end with a second connector 5 for the evaluation circuit, which the in 1 right second end of the central trace 24 opposite, from this, however, by the spacer elements 7 is separated in the power-free state. Even if the conductor pattern is constantly squeezed 3 . 4 at this end, through the design and manufacture of the outer cover 23 Could be caused by this at the connections 5 and 6 Measurable and evaluable changes in the resistance value between these connections when a force or pressure is to be recorded in the areas between the ends mentioned.

In 3 ist eine Ausführungsform des Leiterbahnmusters 4 der zweiten Folie 2 der Sensoreinheit gezeigt, die eine einfache Unterscheidung zwischen Signalen in zwei unterschiedlichen Bereichen der Sensoreinheit ermöglicht, wobei die Abstandselemente nicht dargestellt sind, jedoch zweckentsprechend den Abstandselementen 7 der 1 und der 4b, 5b und 6 entsprechen. Bei dieser Ausführungsform ist die zentrale Leiterbahn 24 der 1 in zwei parallel zueinander verlaufende Hälften 26, 27 mit jeweiligen Anschlüssen 6 für die Auswerteschaltung unterteilt. Die unter einem rechten Winkel zu den Hälften 26, 27 verlaufenden Leiterbahnabschnitte sind jeweils in ihrer Längsrichtung unterbrochen und durch eine eine sehr geringen Breite und eine Krümmung und damit einen hohen Widerstand aufweisende Leiterbahnabschnitte 30 verbunden. In 3 is an embodiment of the wiring pattern 4 the second slide 2 of the sensor unit, which enables a simple distinction between signals in two different areas of the sensor unit, the spacer elements not being shown, but corresponding to the spacer elements 7 the 1 and the 4b . 5b and 6 correspond. In this embodiment, the central trace is 24 the 1 in two halves running parallel to each other 26 . 27 with respective connections 6 divided for the evaluation circuit. The one at right angles to the halves 26 . 27 running conductor track sections are each interrupted in their longitudinal direction and by a very small width and a curvature and thus a high resistance conductor track sections 30th connected.

Auch die Leiterbahn-Hälften 26, 27 weisen eine verglichen mit der zentralen Leiterbahn 24 nach 1 eine verringerte Breite auf. Hierdurch ergeben sich stark vergrößerte Widerstands-Unterschiede bei Betätigungen an unterschiedlichen Stellen des Leiterbahnmuster. Die gleichen Maßnahmen können selbstverständlich auch bei einem Leiterbahnmuster der Folie 2 nach 1 angewandt werden.Also the halves of the conductor 26 . 27 have one compared to the central trace 24 to 1 a reduced width. This results in greatly increased resistance differences when actuated at different points in the conductor track pattern. The same measures can of course also be used for a conductor track pattern of the film 2 to 1 be applied.

Das Leiterbahnmuster nach 3 kann ebenso wie die Leiterbahnmuster der zweiten Folie 2 nach 3 sowohl mit einem vollflächigen Leiterbahnmuster 3 gemäß den 1 und 4a, 4b auch mit einem Leiterbahnmuster der ersten Folie 1 verwendet werden, das eine unterteilte Konfiguration nach den 3, 4b und 5b aufweist, wobei die wesentliche Bedingung darin besteht, dass die Anschlüsse 5, 6 der Folien 1, 2 für die Auswerteschaltung an einander entgegengesetzten Enden der jeweiligen Leiterbahnmuster angeordnet sind.The trace pattern according to 3 can just like the conductor pattern of the second film 2 to 3 both with a full-surface conductor pattern 3 according to the 1 and 4a . 4b also with a conductor pattern of the first film 1 be used, which is a divided configuration according to the 3 . 4b and 5b has, the essential condition being that the connections 5 . 6 of the slides 1 . 2 are arranged for the evaluation circuit at opposite ends of the respective conductor pattern.

In den 4a und 4b sind weitere Ausführungsformen der ersten Folie 1 und der zweiten Folie 3 der Sensoreinheit dargestellt. Bei dieser Ausführungsform der Sensoreinheit kann die erste Folie 1 ebenfalls eine vollflächige Beschichtung 3 mit einem Leiterbahnmuster aufweisen, das aus einem Material besteht, das einen messbaren Flächenwiderstand aufweist. Für den Anschluss einer Auswerteschaltung weist die erste Folie 1 einen ersten Anschluss 5 auf der in 4a linken Seite auf.In the 4a and 4b are further embodiments of the first film 1 and the second slide 3 the sensor unit. In this embodiment of the sensor unit, the first film 1 also a full surface coating 3 have with a conductor pattern that consists of a material that has a measurable surface resistance. The first film shows for the connection of an evaluation circuit 1 a first connection 5 on the in 4a left side on.

Diese erste Folie 1 wird zusammen mit einer in 4b gezeigten zweiten Folie 2 verwendet, die ebenfalls als Leiterbahnmuster 4 eine vollflächige Beschichtung aus Widerstandsmaterial mit messbarem Flächenwiderstand aufweist, wobei auf der Oberfläche dieser Beschichtung Abstandselemente 7, 8 angeordnet sind, die sich linienförmig in vertikaler beziehungsweise horizontaler Richtung gemäß 4b über die gesamte leitende Beschichtung erstrecken. Hierdurch wird die Fläche der Leiterbahnmuster 3, 4 in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt, an denen bei einer Kraft- oder Druckausübung auf eine oder beide Folien 1, 2 ein Kontakt zwischen den die Leiterbahnmuster bildenden Beschichtungen hergestellt werden kannThis first slide 1 is together with an in 4b shown second slide 2 used, also as a conductor pattern 4 has a full-surface coating of resistance material with measurable surface resistance, with spacer elements on the surface of this coating 7 . 8th are arranged, which are linear in the vertical or horizontal direction 4b extend over the entire conductive coating. This will make the area of the trace pattern 3 . 4 divided into a variety of areas where force or pressure is exerted on one or both foils 1 . 2 a contact can be made between the coatings forming the conductor pattern

Wie aus 4b zu erkennen ist, weist diese zweite Folie 2 auf der rechten Seite in 1b einen zweiten Anschluss 6 für die Verbindung mit der Auswerteschaltung auf.How from 4b this second film shows 2 on the right in 1b a second connection 6 for the connection to the evaluation circuit.

Zur Bildung einer Sensoreinheit wird die erste Folie so auf die zweite Folie gelegt, das sich die leitenden Beschichtungen auf der Innenseite der Sensoreinheit gegenüberliegen und durch die Abstandselemente 7, 8 voneinander elastisch auf Abstand gehalten werden, wobei die Anordnung der ersten Folie auf der zweiten Folie derart erfolgt, dass der Anschluss 5 auf einer dem Anschluss 6 entgegengesetzten Kante der Sensoreinheit angeordnet ist.To form a sensor unit, the first film is placed on the second film in such a way that the conductive coatings on the inside of the sensor unit lie opposite one another and through the spacer elements 7 . 8th are elastically kept apart from one another, the arrangement of the first film on the second film being such that the connection 5 on one of the connection 6 opposite edge of the sensor unit is arranged.

Die Abstandselemente weisen eine relativ geringe Dicke auf und sind elastisch verformbar, sodass durch eine Kraft- oder Druckausübung auf eine oder beide der Folien 1, 2 ein Kontakt zwischen den Beschichtungen an der der Kraftausübung entsprechenden Stelle hervorgerufen wird, der in Abhängigkeit von seiner Position zu einem sich ändernden Widerstand zwischen den Anschlüssen 5 und 6 in Abhängigkeit von der Position dieser Kontaktstelle führt. Durch die Anordnung der Anschlüsse an einander entgegengesetzten Kanten der Folien 1, 2 selbst bei einen fertigungsbedingten oder durch äußere Einflüsse hervorgerufenen dauernden Kontakt an einem oder mehreren der zwischen den Abstandselementen liegenden Bereiche eine gewollte Zusammendrückung der Folien an anderen Bereichen zu einer Änderung des zwischen den Anschlüssen 5, 6 messbaren Widerstands führt.The spacer elements have a relatively small thickness and are elastically deformable, so that by exerting force or pressure on one or both of the foils 1 . 2 contact between the coatings at the point corresponding to the application of force, which, depending on its position, leads to a changing resistance between the connections 5 and 6 depending on the position of this contact point. By arranging the connections on opposite edges of the foils 1 . 2 even in the event of permanent contact on one or more of the areas located between the spacer elements due to production or caused by external influences, a deliberate compression of the foils in other areas to change the area between the connections 5 . 6 measurable resistance leads.

Bei der Ausführungsform nach den 5a und 5b wird ebenfalls eine erste Folie 1 mit vollflächiger Beschichtung 3 und einem Anschluss 5 verwendet, wobei jedoch die zweite Folie ein streifenförmiges Leiterbahnmuster mit Streifen 41, 42. 43 aufweist, Quer zu Erstreckung der Streifen 41, 42, 43 sind über diesen ebenfalls Abstandsstücke 7 angeordnet, die beim Auflegen der ersten Folie 1 auf die zweite Folie 2 derart, dass sich die leitenden Beschichtungen gegenüberliegen, diese im kraftfreien Zustand in Abstand voneinander halten. Die Verwendung getrennter Leiterbahn-Streifen 41, 42, 43 ermöglicht auf der rechten Seite der zweiten Folie 2 an den Anschlüssen 6 die Verbindung mit mehreren Eingängen von Auswerteschaltungen, durch die eine zusätzliche Auflösung der Position der Kraft- oder Druckbeaufschlagung und der Kontaktgabe zu erzielen ist. Die Anschlüsse 6 können jedoch auch miteinander und mit einem einzigen Eingang eine Auswerteschaltung verbunden werden.In the embodiment according to the 5a and 5b also becomes a first slide 1 with full-surface coating 3 and a connector 5 used, however, the second film is a strip-shaped conductor pattern with stripes 41 . 42 , 43 has, transverse to extension of the strips 41 . 42 . 43 are spacers above this too 7 arranged when you put the first film 1 on the second slide 2 in such a way that the conductive coatings face each other, keep them at a distance from each other in the force-free state. The use of separate strip conductors 41 . 42 . 43 allows on the right side of the second slide 2 at the connections 6 the connection to several inputs of evaluation circuits, by means of which an additional resolution of the position of the force or pressure application and the contacting can be achieved. The connections 6 However, an evaluation circuit can also be connected to one another and to a single input.

Bei der Ausführungsform nach 6 ist die zweite Folie 2 mit einer Anzahl von voneinander getrennten Leiterbahnflächen 50 beschichtet, die über schmale Leiterbahnen 10, 11 sowohl in Serie als auch parallel miteinander verbunden sind. Die Leiterbahnen 10, 11 können zu ihrer Verlängerung gebogen oder auf andere Weise verlängert sein, um ihren Widerstand zu erhöhen. Auch diese zweite Folie 2 kann mit einer vollflächig beschichteten ersten Folie zusammenwirken, wie dies anhand der 4a und 5a beschrieben wurde. In the embodiment according to 6 is the second slide 2 with a number of separate interconnect areas 50 coated over narrow conductor tracks 10 . 11 are connected in series as well as in parallel. The conductor tracks 10 . 11 may be curved to extend them or otherwise elongated to increase resistance. This second slide too 2 can interact with a full-surface coated first film, as shown by the 4a and 5a has been described.

Bei den Ausführungsformen nach den 5a, 5b und 6 ist es möglich, anstelle des vollflächig beschichteten Leiterbahnmusters der ersten Folie 1 ein Leiterbahnmuster zu verwenden, das der jeweils beschriebenen Leiterbahnmuster der zweiten Folie entspricht, sofern die Bedingung erfüllt ist, dass die Anschlüsse 5, 6 der beiden Folien auf einander entgegengesetzten Enden der durch diese gebildeten Sensoreinheit angeordnet sind.In the embodiments according to 5a . 5b and 6 it is possible to replace the full-surface coated conductor pattern of the first film 1 to use a conductor pattern that corresponds to the respectively described conductor pattern of the second film, provided the condition is met that the connections 5 . 6 of the two foils are arranged on opposite ends of the sensor unit formed by them.

Die Folien 1, 2 als solche können aus Elastomer-Material hergestellt und sehr flexibel und dünn sein, beispielsweise im Bereich von 0,2 bis 0,6 mm, sollten aber eine ausreichend geringe Dehnbarkeit aufweisen, um ein Reißen der Beschichtungen zu vermeiden, die die Leiterbahnmuster bilden. Diese einen Flächenwiderstand aufweisenden Beschichtungen können in Form einer Widerstands-Paste auf die Folien mit einer Dicke von 40 bis 100 Mikrometern aufgedruckt sein.The slides 1 . 2 as such, they can be made from elastomeric material and be very flexible and thin, for example in the range of 0.2 to 0.6 mm, but should have a sufficiently low extensibility to avoid tearing of the coatings that form the conductor pattern. These coatings, which have a sheet resistance, can be printed in the form of a resistance paste on the foils with a thickness of 40 to 100 micrometers.

Auch die Abstandselemente können auf die Folien nach dem Aufdrucken der Leiterbahnmuster auf eine oder beide der Folien aufgedruckt werden. Die Dicke der Abstandselemente kann vorzugsweise im Bereich von 0.25 bis 0,55 mm liegen, in Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung der Sensoreinheiten.The spacer elements can also be printed on the films after the printed conductor pattern has been printed on one or both of the films. The thickness of the spacer elements can preferably be in the range from 0.25 to 0.55 mm, depending on the intended use of the sensor units.

Damit ergeben sich sehr flexible Sensoreinheiten, die auch um gebogene Tragstrukturen aufgezogen oder in Bekleidungsstücke eingenäht werden können.This results in very flexible sensor units that can also be fitted around curved support structures or sewn into clothing.

In 7 ist ein Beispiel der Anwendung derartiger aus ersten und zweiten Folien bestehender Sensoreinheiten 100 zur Auswertung der Tatsache dargestellt, dass eine Handkraft auf den Lenkradkranz 101 eines Lenkrades ausgeübt wird oder nicht. Hierzu werden eine oder mehre Sensoreinheiten 100 um den Lenkradkranz 101 herum aufgezogen und in der anhand der 1 beschriebenen Weise unter Einfügung weiterer Schichten unter einer Lederabdeckung angeordnet.In 7 is an example of the application of such sensor units consisting of first and second foils 100 to evaluate the fact that a hand force on the steering wheel rim 101 a steering wheel is exercised or not. For this purpose, one or more sensor units 100 around the steering wheel rim 101 raised around and in the based on the 1 described way arranged with the insertion of additional layers under a leather cover.

Die Anschlüsse 5, 6 der Sensoreinheiten 100 werden mit den Eingängen einer Auswerteschaltung 102 verbunden, die einen Mikrokontroller einschließen kann.The connections 5 . 6 of the sensor units 100 with the inputs of an evaluation circuit 102 connected, which may include a microcontroller.

In 7 sind außerdem elektronische Bausteine dargestellt, die gegebenenfalls einen Notfalleinsatz auslösen können, wenn über eine bestimmte Zeitperiode keine/eine??? Kraftausübung auf den Lenkradkranz erfolgt. Zu diesem Zweck ist die Sensoreinheit 100 entweder über das Lenkrad bei Integration in das Lenkrad zusammen mit Verbindungsleitungen dieses Lenkrades mit dem Mikrokontroller 102 verbunden. Wie dies ebenfalls gestrichelt dargestellt ist, können eine oder mehrere der Sensoreinheiten 100 auch Teil einer nachrüstbaren Lenkradumhüllung bilden können, die dann mit einem getrennten Mikrokontroller verbunden sind. Dieser Mikrokontroller 102 wird dann über eine Versorgungsschaltung 107 gespeist und gibt ein Ausgangssignal an einem Transponder 104 sowie eine akustische Einheit 105 ab, die in 5 als Telefonhörer dargestellt ist, jedoch einen Lautsprecher oder ein Mobiltelefon einschließen kann. Bei einem unerwünschten Fehlalarm kann dieser über eine Abschalteinrichtung 106 abgeschaltet werden.In 7 Also shown are electronic modules that can trigger an emergency response if there is no ??? Force is exerted on the steering wheel rim. For this purpose the sensor unit 100 either via the steering wheel when integrated into the steering wheel together with connecting lines of this steering wheel with the microcontroller 102 connected. As is also shown in dashed lines, one or more of the sensor units can 100 can also form part of a retrofittable steering wheel cover, which are then connected to a separate microcontroller. This microcontroller 102 is then via a supply circuit 107 fed and gives an output signal to a transponder 104 as well as an acoustic unit 105 starting in 5 is shown as a telephone handset, but may include a speaker or a cell phone. In the event of an undesirable false alarm, this can be done using a shutdown device 106 be switched off.

Der Transponder 104 ist über eine drahtlose Verbindung mit einem weiteren Transponder 108 an einer Rettungsstation verbunden, an die ein Alarmsignal übertragen werden kann, das, sofern der Mikrokontroller 102 mit einer Positionsbestimmungseinheit 115 verbunden ist, auch Positionsdaten des Fahrzeuges empfangen kann.The transponder 104 is via a wireless connection with another transponder 108 connected to a rescue station to which an alarm signal can be transmitted, provided that the microcontroller 102 with a position determining unit 115 is connected, can also receive position data of the vehicle.

In 8 ist eine Ausführungsform des Sensorsystems mit einer Mehrzahl von Sensoreinheiten gezeigt, die in die Bekleidung beispielsweise eines Motorradfahrers eingebettet sein können. Wie dies im unteren Teil der 8 dargestellt ist können die Sensoreinheiten an den Unterschenkeln des Fahrers beziehungsweise an dessen Oberkörper und zusätzlich im Helm eingebettet sein, wobei diese Sensoreinheiten getrennt mit dem Mikrokontroller 102 verbunden sind, um im Fall eines Unfalls nicht nicht nur eine Alarmierung sondern auch bereits eine Information über die Schwere des Unfalls und die betroffenen Körperregionen des Fahrers übermitteln zu können, die über miteinander verbundene Transponder 104, 108 drahtlos über Antennen 112, 113 übertragen werden können. Auch hier ist eine Abschalteinrichtung 106 vorgesehen, die die Abschaltung eines Fehlalarms ermöglicht. Die Abstandselemente können in den unterschiedlichen Sensoreinheiten und innerhalb dieser unterschiedlich hart ausgebildet sein, so dass lediglich ein harter Schlag auf die Sensoreinheiten zu einer Kontaktgabe und einer daraus resultierenden Widerstandsänderung an den jeweiligen Anschlüssen 5, 6 führt.In 8th One embodiment of the sensor system is shown with a plurality of sensor units that can be embedded in the clothing of, for example, a motorcycle rider. Like this in the lower part of the 8th The sensor units can be shown on the lower legs of the driver or on his upper body and additionally embedded in the helmet, these sensor units being separated with the microcontroller 102 are connected in order to be able to transmit not only an alarm but also information about the severity of the accident and the affected body regions of the driver in the event of an accident, via transponders connected to one another 104 . 108 wirelessly via antennas 112 . 113 can be transferred. There is also a switch-off device here 106 provided that enables a false alarm to be switched off. The spacer elements can be embodied with different hardness in the different sensor units and within them, so that only a hard blow to the sensor units leads to contact and a resulting change in resistance at the respective connections 5 . 6 leads.

In 9 ist die in den 7 und 8 vereinfacht als Mikrokontroller 102 dargestellte Auswerteeinheit mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Wie dies aus 9 zu erkennen ist, ist dieser Mikrokontroller 102 mit den Anschlüssen 5 und 6 der Sensoreinheiten verbunden und verfügt entweder über getrennte Speichereinheiten 120 oder ist mit diesen verbunden. Der Mikrokontroller ist getaktet und wertet im vorgegebenen Zeitabständen die an den Anschlüssen 5, 6 erscheinenden Widerstandswerte aus und speichert diese in ein oder zwei Speichern 120 ab, wobei der jeweils aktuelle Messwert des Widerstands in einem Vergleicher 121 mit den vorhergehenden, in den Speichern 120 gespeicherten Messwerten verglichen wird. Bei einer Änderung des aktuellen Widerstandswerts um einen vorgegebenen Betrag gegenüber den gespeicherten Widerstandswerten gibt der Vergleicher 121 ein Ausgangssignal an der Leitung 122 ab, die mit dem Transponder 104 verbunden ist.In 9 is that in the 7 and 8th simplified as a microcontroller 102 shown Evaluation unit shown with further details. Like this 9 you can see this microcontroller 102 with the connections 5 and 6 connected to the sensor units and either has separate storage units 120 or is connected to them. The microcontroller is clocked and evaluates the connections at the specified time intervals 5 . 6 appearing resistance values and stores them in one or two memories 120 from, the current measured value of the resistance in a comparator 121 with the previous ones, in the memories 120 stored measured values is compared. If the current resistance value changes by a predetermined amount compared to the stored resistance values, the comparator gives 121 an output signal on the line 122 starting with the transponder 104 connected is.

Auf diese Weise wird nicht der jeweilige Ist-Zustand der betätigten oder unbetätigten Sensoreinheit ausgewertet, sondern eine Änderung dieses Zustandes in aufeinander folgenden Taktperioden.In this way, the respective actual state of the actuated or unactuated sensor unit is not evaluated, but rather a change in this state in successive cycle periods.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • DE 102014007163 [0002]DE 102014007163 [0002]

Claims (9)

Flächenhafte Kraft-Sensoreinheit für Kraft- und/oder Drucksensorsysteme, mit ersten und zweiten isolierenden Folien (1, 2), die übereinander angeordnet sind und auf ihren einander zugewandten Flächen erste und zweite Leiterbahnmuster (3, 4) tragen, zwischen denen elastisch verformbare Abstandselemente (7) angeordnet sind, derart, dass die Folien (1, 2) elastisch voneinander fort vorgespannt sind und durch Ausüben einer Kraft auf zumindest eine der Folien ein Kontakt zwischen den ersten und den zweiten Leiterbahnenmustern (3, 4) herstellbar ist, wobei zumindest eines der ersten und zweiten Leiterbahnmuster(3, 4) durch die Abstandselemente (7) in eine Vielzahl von Kontaktbereichen unterteilt ist, in denen bei einer Kraftausübung auf zumindest eine der Folien ein Kontakt zwischen den Leiterbahnmustern der ersten und der zweiten Folie erfolgt, wobei die Leiterbahnmuster (3, 4) zumindest teilweise durch widerstandsbehaftete Beschichtungen gebildet sind, die einen vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand aufweisen und wobei die ersten und zweiten Leiterbahnmuster (3, 4) Anschlüsse (5, 6) zur Verbindung mit einer Auswerteschaltung (102) aufweisen, die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Position und/oder der Anzahl der durch Kraftausübung und Zusammendrückung der Abstandselemente hergestellten Widerstandswerte abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (5, 6) für die Auswerteeinheit (102) in zumindest einer axialen Richtung an einander entgegengesetzten Enden der Sensoreinheit ausgebildet sind, dass die Leiterbahnmuster (3, 4) durch die Abstandselemente in eine Vielzahl von Teilbereichen unterteilt sind, die bei einem Kontakt zwischen den Leiterbahnmustern in einem oder mehreren Einzelbereichen jeweils unterschiedliche Widerstandswerte zwischen den Anschlüssen (5, 6) der Auswerteschaltung (102) ergeben, dass die Auswerteschaltung einen getakteten Mikrokontroller aufweist, der in aufeinander folgenden Taktperioden die Widerstandswerte an den Anschlüssen 5, 6) misst und in Speichereinheiten (120) speichert, und dass eine Vergleicher-Einheit (121) mit dem Mikrokontroller (102) verbunden ist, die zum Vergleich des aktuellen Widerstandswertes mit den in den Speicher-Einheiten (120) gespeicherten Widerstandswerten und zur Abgabe eines Ausgangssignals (122) ausgebildet ist, wenn der aktuelle Widerstandswert von den jeweils gespeicherten Widerstandswerten um einen vorgegebenen Betrag abweicht.Two-dimensional force sensor unit for force and / or pressure sensor systems, with first and second insulating foils (1, 2), which are arranged one above the other and carry first and second conductor track patterns (3, 4) on their mutually facing surfaces, between which elastically deformable spacer elements (7) are arranged in such a way that the foils (1, 2) are resiliently biased away from one another and contact can be produced between the first and the second conductor track patterns (3, 4) by exerting a force on at least one of the foils, at least one of the first and second conductor pattern (3, 4) is divided by the spacer elements (7) into a plurality of contact areas in which, when force is exerted on at least one of the foils, there is contact between the conductor pattern of the first and the second foil, the Conductor pattern (3, 4) are at least partially formed by resistive coatings that have a predetermined electris Chen surface resistance and wherein the first and second conductor pattern (3, 4) connections (5, 6) for connection to an evaluation circuit (102) having an output signal as a function of the position and / or the number of by applying force and compression of the Outputs spacer elements produced resistance values, characterized in that the connections (5, 6) for the evaluation unit (102) are formed in at least one axial direction at opposite ends of the sensor unit, that the conductor pattern (3, 4) by the spacer elements in a variety are subdivided into sub-areas which, when there is contact between the conductor track patterns in one or more individual areas, result in different resistance values between the connections (5, 6) of the evaluation circuit (102) that the evaluation circuit has a clocked microcontroller which, in successive clock periods, has the resistance values at de n measures connections 5, 6) and stores them in storage units (120), and that a comparator unit (121) is connected to the microcontroller (102), which compares the current resistance value with those stored in the storage units (120) Resistance values and is designed to emit an output signal (122) when the current resistance value deviates from the respectively stored resistance values by a predetermined amount. Sensoreinheit nach Anspruch 1, dass zumindest eines der Leiterbahnenmuster (4) in Einzelflächen (28, 29; 50) unterteilt ist, auf denen die Abstandselemente (7) angeordnet sind und die durch widerstandsbehaftete Verbindungsleitungen (30; 10, 11) miteinander verbunden sind.Sensor unit after Claim 1 that at least one of the conductor track patterns (4) is subdivided into individual areas (28, 29; 50) on which the spacer elements (7) are arranged and which are connected to one another by resistive connecting lines (30; 10, 11). Sensoreinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelflächen (50) des Leiterbahnmusters (4) in miteinander über widerstandsbehaftete Verbindungen (11) in Serie geschalteten Einzelflächen-Gruppen angeordnet sind, wobei die Gruppen ihrerseits ebenfalls über widerstandsbehaftete Verbindungen (10) miteinander verbunden sind.Sensor unit after Claim 2 , characterized in that individual surfaces (50) of the conductor track pattern (4) are arranged in individual surface groups connected in series with one another via resistive connections (11), the groups in turn also being connected to one another via resistive connections (10). Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnmuster die erste und oder zweite Folie (1, 2) vollflächig überdecken und durch die Abstandselemente (7) in Einzelbereiche unterteilt sind, dass sich die Abstandselemente sowohl in einer ersten Richtung als auch in einer hierzu im Wesentlichen senkrechten Richtung erstrecken, um die vollflächige Beschichtung in eine Vielzahl von Einzelbereichen unterteilen.Sensor unit after Claim 1 , characterized in that the conductor track patterns cover the first and or second film (1, 2) over their entire surface and are divided into individual areas by the spacer elements (7), that the spacer elements are located both in a first direction and in a direction substantially perpendicular thereto extend to divide the full-surface coating into a large number of individual areas. Sensoreinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Folie (1, 2) als elastische Folie ausgebildet ist, die in ihrer Längs- und Querrichtung dehnbar ist.Sensor unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the first and / or the second film (1, 2) is designed as an elastic film which is stretchable in its longitudinal and transverse directions. Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bereiche so angeordnet sind, dass sich selbst für einen dauernden Kontakt einzelner Bereiche der Leiterbahn eine Widerstandsänderung gemessen an den Anschlussleitungen (5, 6) ergibt.Sensor system according to one or more of the preceding claims, characterized in that the individual areas are arranged in such a way that even for permanent contact of individual areas of the conductor track there is a change in resistance measured on the connecting lines (5, 6). Sensorsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten unter einer Lederabdeckung eines Lenkrades angeordnet sind.Sensor system according to one or more of the preceding claims, characterized in that the sensor units are arranged under a leather cover of a steering wheel. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten in Bekleidungsstücke eingenäht sind.Sensor system according to one or more of the Claims 1 to 6 , characterized in that the sensor units are sewn into clothing. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Sensoreinheiten in der Grundfläche eines Regalssystems angeordnet und zur Ermittlung des Füllzustandes des Regalsystems ausgebildet sind.Sensor system according to one or more of the Claims 1 to 6 , characterized in that one or more sensor units are arranged in the base of a shelf system and are designed to determine the filling status of the shelf system.
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