DE3431347C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erzeugung eines elek­ trischen Signals bei Druckbelastung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Solche Sensoren sind bereits bekannt (DE-AS 24 51 546); dort sind die in einer Matrix angeordneten Tasten in je einer Führung des Isolierkörpers geführt. Diese Führungen sind mit je einer die Bahn der Taste kreuzenden Nut versehen, in der eine Schraubenfeder eines ersten Satzes liegt, dessen in den Isolierkörper eingespannte Schraubenfedern entsprechend dem Reihenabstand der Tasten neben­ einander angeordnet sind und sich über die gsamte Tastenreihe erstrecken. An dem der Betätigungsfläche der Tasten abgekehrten Ende der Führungen liegen Schraubenfedern eines zweiten Satzes an, welche diejenigen des ersten Satzes rechtwinklig kreuzen und ebenfalls in den Isolierkörper eingespannt sind. Als Distan­ zierungsmittel sind dort dünne Stäbe der Führungen vorgesehen, welche zwischen der Schraubenfeder des ersten Satzes und derjenigen des zweiten Satzes parallel zu letzterer die Bahn der Taste kreuzen. Da diese Stäbe gegenüber den Anlageflächen der hohlen Tasten für die Schraubenfeder des ersten Satzes gegen die Betä­ tigungsfläche der Taste hin versetzt sind, haben die Schrauben­ federn des ersten Satzes im Bereich der Tasten einen wellenarti­ gen Verlauf mit drei eng aufeinanderfolgenden Krümmungen.

Diese Krümmungen werden beim Niederdrücken der Taste verstärkt, um die Schraubenfeder des ersten Satzes zu beiden Seiten des Stabes in Anlage an die Schraubenfeder des zweiten Satzes zu bringen.

Bekannt ist auch bereits ein Drucksensor (DE-PS 11 62 903), der in Form eines Kontaktteppichs ausgebildet ist und zwischen einer flexiblen Oberschicht und einer flexiblen Unterschicht parallel und im Abstand neben­ einander streifenförmige Kontaktelementpaare aufweist, die längs ihres Randes durch Isolierstreifen distanziert sind. Zumindest das eine der beiden streifenförmigen Kontaktelemente jedes Paares ist durch eine Druckbelastung ela­ stisch bis zur Kontaktierung des anderen Kontaktelements ver­ formbar und kehrt nach der Druckentlastung wieder in seine Aus­ gangslage und Ausgangsform zurück.

Bei einer anderen bekannten, auf Druck ansprechenden Kontakt­ einrichtung (DE-OS 31 14 034) sind in die Nuten eines Tragkör­ pers, der vorzugsweise zylindrisch ausgebildet istm blanke elektrische Leiter gelegt. Die Nuten und die darin liegenden Leiter, die je ein Kontaktelement bilden, sind von einer ela­ stisch verformbaren Abdecklage überdeckt, bei der es sich im Falle eines zylindrischen Tragkörpers um einen Schlauch han­ delt. Diese Abdeckanlage ist elektrisch leitend und unter Druck­ belastung so weit verformbar, bis sie an wenigstens einem der Leiter kontaktbildend anliegt.

Bekannt ist ferner eine flache Schalteranordnung (DE-OS 31 30 962), bei welcher zwischen einer Isolierstoffunterlage und einer isolierenden Deckfolie ein erster Satz gespannter, im Abstand nebeneinander angeordneter Drähte und ein zweiter Satz gespannter, im Abstand nebeneinander angeordneter Drähte, welche diejenigen des ersten Satzes rechtwinklig kreuzen, liegt, wobei zwischen diesen beiden Sätzen eine elektrisch isolierende, elastische Zwischenschicht angeordnet ist, welche an den Kreu­ zungsstellen der Drähte Löcher für eine Kontaktbildung bei Druckbelastung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er bei geringer Bauhöhe eine relativ hohe mechanische Belastbarkeit aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Mittel gelöst.

Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, daß die flächenhaften Elemente eine großflä­ chige Abstützung aufeinander erhalten und bei einer Druckbe­ lastung nur eine sehr geringe Deformation erfahren.

Da die Schraubenfeder nur einer sehr geringen Durchbiegung im Falle der Kontaktierung ausgesetzt ist und ihre größtmögliche mechanische Deformation mechanisch dadurch begrenzt ist, daß sich die beiden flächenhaften Kontaktelemente über die das Distanzierungsmittel bildende Schicht und das Kontaktblech aufeinander abstützen können, wird hier vorteilhafterweise auch eine hohe Lebensdauer sowohl der beiden plattenförmigen Elemente als auch der Kontaktelemente erreicht. Außerdem ist der beschriebene Sensor aufgrund der Kontaktselbstreinigung, welche darauf zurückzuführen ist, daß infolge der Durchbiegung der Schraubenfeder und der dadurch bedingten Veränderung des Win­ dungsabstandes die Windungen der Schraubenfeder auf dem den Gegenkontakt bildenden Kontaktblech eine Gleitbewegung ausführen, auch weitgehend wartungsfrei.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein perspektivisch und unvollständig dar­ gestelltes, flächenhaftes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine perspektivisch dargestellte Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, ohne die Oberplatte und eine der Schrauben­ federn,

Fig. 3 eine perspektivisch dargestellte Ansicht der Unterplatte des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 mit ihrer elektrisch leitenden Deckschicht und einer diese deckenden Loch­ folie,

Fig. 4 ein perspektivisch und unvollständig dar­ gestelltes, flächenhaftes Ausführungsbeispiel bei von der Unterplatte abgehobener Oberplatte,

Fig. 5 eine Darstellung entsprechend Fig. 4 eines anderen, flächenhaften Ausführungsbeispiels.

Der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte, flächenhafte Drucksensor ist für den Einbau in einen Fußboden bestimmt, bei dem es sich vorzugsweise um einen Industrieboden handelt. Er soll ein elek­ trisches Signal erzeugen, wenn auf ihn ein Druck ausgeübt wird, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn sich eine Person oder ein Gegenstand im Bereich des Drucksensors befinden. Der Drucksensor ist daher beispielsweise für den Arbeitsbereich von Automaten, im Bereich von Hochregallagern u. dgl. geeignet, weil er es ermöglicht, die Anwesenheit von Personen, Maschinen oder Gegenständen zu erkennen. Aufgrund des Signals des Sensors können dann die erforderlichen Maßnahmen ausgelöst werden, bei­ spielsweise eine Maschine abgeschaltet werden.

Der Drucksensor weist eine aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff bestehende Unterplatte 1 auf, bei der es sich auch um einen Abschnitt einer Bahn handeln kann. Die Unterplatte 1 ist auf ihrer Oberseite mit einer elektrisch leitenden Deck­ schicht 2 versehen. Auf der Oberseite dieser Deckschicht 2 sind Distanzierungsstreifen 3 konstanter Breite parallel im Abstand nebeneinander festgelegt, wie dies insbesondere Fig. 2 erkennen läßt. Diese Distanzierungsstreifen 3 bestehen aus einer elek­ trisch isolierenden Kuntstoffolie mit einer Dicke von etwa 0,2 mm. Die Distanzierungsstreifen 3 werden rechtwinklig gekreuzt von Abstandsstreifen 4, welche normalerweise im Abstand über den Distanzierungsstreifen 3 liegen und wie diese eine konstan­ te Breite haben. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Ab­ standsstreifen 4 ist etwas größer als der Außendurchmesser von zylindrischen Schraubenfedern 5, von denen je eine in jeder der seitlich von den Abstandsstreifen 4 begrenzten Nuten 6 liegt und sich über die gesamte Nutenlänge erstreckt. Die Höhe der Abstandsstreifen 4 ist geringfügig kleiner als der Außendurch­ messer der Schraubenfedern 5, nämlich im Ausführungsbeispiel etwa 0,2 mm. Auf den Schraubenfedern 5, die bei unbelastetem Drucksensor nur auf den Distanzierungsstreifen 3 aufliegen, liegt eine Oberplatte 7 aus einem elektrisch nicht-leitenden Kunststoff auf, an deren Unterseite die Abstandsstreifen 4 festgelegt sind. Da der Außendurchmesser der Schraubenfedern 5 geringfügig größer als die Dicke der Abstandsstreifen 4 ist, ist zwischen deren Unterseite und den Distanzierungstreifen 3 bei unbelastetem Drucksensor ein geringer Zwischenraum vorhan­ den. Die Elastizität der Oberplatte 7 ist so gewählt, daß ihre Durchbiegung bei einer Druckbelastung, die über einem Mindest­ wert liegt, ausreicht, um im Belastungsbereich die hier liegen­ de Schraubenfeder 5 oder auch mehrere der Schraubenfedern 5 entgegen der Rückstellkraft in Kontakt mit der elektrisch lei­ tenden Deckschicht 2 im Bereich wenigstens einer der zwischen zwei benachbarten Distanzierungsstreifen 3 liegenden Zonen zu bringen. Die Schraubenfeder 5 erfährt bei dieser Kontaktierung eine mehr oder weniger starke elastische Deformation, die so­ wohl zu einem hohen Kontaktdruck in dem sehr kleinflächigen Kontaktbereich führt, als auch zu einer Selbstreinigungsbewe­ gung zwischen Schraubenfeder und Deckschicht. Der Kontakt bleibt so lange bestehen, als die Druckbelastung vorhanden ist.

Nach Beendigung der Druckbelastung kehren die Oberplatte 7 und die Schraubenfedern 5 wieder in ihre Ausgangslage zurück, in der kein Kontakt mit der Deckschicht 2 vorhanden ist.

Ob die Deckschicht 2 mit jeder Schraubenfeder 5 je einen sepa­ raten Stromkreis bildet oder ob alle Schraubenfedern 5 mitein­ ander verbunden, also beispielsweise elektrisch in Reihe oder elektrisch parallel geschaltet sind, hängt von der Aufgabe ab, die der Drucksensor zu erfüllen hat. Sind alle Schraubenfedern 5 elektrisch miteinander verbunden, kann die Stelle, an welcher die Druckbeaufschlagung erfolgt, lokalisiert werden, wenn der Gesamtwiderstand jeder Schraubenfeder so groß ist, beispiels­ weise 1 kOhm, daß der bei einer Druckbeaufschlagung wirksame Teilwiderstand noch meßbar ist. Liegen hingegen die Schrauben­ federn 5 in einzelnen Stromkreisen, dann kann diejenige strei­ fenförmige Zone festgestellt werden, in welcher die Druckbeauf­ schlagung erfolgt.

Wie Fig. 3 zeigt, kann man statt der Distanzierungsstreifen 3 auch eine Distanzierungsfolie 3′ vorsehen, welche in denjenigen streifenförmigen Zonen, welche den Grund einer der Nuten für die Schraubenfedern bilden, in bestimmten Abständen mit Durch­ brüchen 3′′ versehen ist. Im Bereich dieser Durchbrüche 3′′ können die Schraubenfedern bei einer Druckbelastung des Sensors die Deckschicht 2 kontaktieren.

Bei der in Fig. 4 dargestellten, flächenhaften Ausführungsform, welche für die gleichen Anwendungsgebiete wie das Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 1 bis 3 einsetzbar ist, enthält die aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff bestehende Unterplatte 11 parallel und im Abstand voneinander angeordnete Nuten 11′, welche sich über die gesamte Länge der Unterplatte 11 in dieser Richtung erstrecken. Der Grund der Nuten 11′ ist von einer elektrisch leitenden Schicht 12 oder Folie bedeckt. Die Tiefe der Nuten 11′ ist geringfügig größer als die Dicke der Schicht 12. In dem Ausführungsbeispiel liegt die Oberseite der Schicht 12 etwa 0,2 mm tiefer als die von der Oberseite der Unterplatte 11 definierte Fläche. Die Breite der Nuten 11′ ist so gewählt, daß zylindrische Schraubenfedern 15, die je ein langgestrecktes Kontaktelement bilden und die Nuten 11′ rechtwinklig kreuzend parallel und im Abstand voneinander auf der Oberseite der Un­ terplatte 21 aufliegen, die Schicht 12 kontaktiert, wenn der Sensor mit einem Mindestdruck belastet wird. Die Federn 15 lie­ gen in je einer Nut 16 einer Oberplatte 17, die aus einem elek­ trisch isolierenden Kunststoff besteht und eine so große Flexi­ bilität hat, daß bei einer Druckbelastung im Betrieb der Ein­ wirkungsstelle die vorstehend erwähnte Durchbiegung der dort liegenden Schraubenfeder oder Schraubenfedern 15 erreicht wird. Die Tiefe der Nuten 16 ist geringfügig, im Ausführungsbeispiel etwa 0,2 mm, kleiner als der Außendurchmesser der Schraubenfe­ dern 15. Hierdurch wird eine zu starke Biegebeanspruchung der Schraubenfedern 15 vermieden. Die zwischen je zwei benachbarten Nuten 16 liegenden Materialpartien 17′ der Oberplatte 17 bilden also wie die Abstandsstreifen 4 des ersten Ausführungsbeispiels eine Anschlageinrichtung. Separate Distanzierstreifen sind bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich. Diese Aufgabe über­ nehmen die zwischen den Nuten 11′ liegenden Stegteile der Un­ terplatte 11.

Werden alle Schraubenfedern 15 einerseits und alle Schichten 12 andererseits elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet, dann bildet der Drucksensor nur einen einzigen Signalstromkreis, der geschlossen wird, wenn an einer oder mehreren beliebigen Stel­ len die Oberplatte 17 eine so starke Druckbelastung erfährt, daß an einer oder mehreren Kreuzungsstellen ein Kontakt zwi­ schen wenigstens einer der Schraubenfedern 15 und wenigstens einer der die Gegenkontaktelemente bildenden Schicht 12 herge­ stellt wird. Wegen der Rückstellkraft der Schraubenfedern 15 wird bei einer Beendigung der Druckbelastung dieser Kontakt wieder getrennt. Man kann aber auch entweder die Schraubenfe­ dern 15 oder die Schichten 12 in je einen Signalstromkreis le­ gen und alle anderen Kontaktelemente zusammenschalten. In die­ sem Falle kann festgestellt werden, in welcher streifenförmigen Zonen die Druckbelastung der Oberplatte 17 erfolgt. Schließlich kann man aber auch die Schraubenfedern und die Schichten 12 in Art einer Matrix je einen getrennten Stromkreis legen. Die Stelle der Druckbeanspruchung kann dann aufgrund der Kreuzungs­ stelle ermittelt werden, an welcher infolge der Druckbean­ spruchung ein Kontakt hervorgerufen worden ist.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten, flächenhaften Ausführungsbei­ spiel ist nur die Unterplatte 21 mit parallelen und im Abstand voneinander angeordneten Nuten 21′ versehen. Die Oberplatte 27, welche wie die Unterplatte 21 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff besteht, ist nutzlos. Wie Fig. 5 zeigt, ist der Grund jeder der Nuten 21′ mit einer elektrisch leitenden Schicht 22 oder Folie bedeckt. Als Distanzierungsmittel sind in diesem Ausführungsbeispiel in die Nuten 21′ Stücke gleicher Länge eines Distanzierungsstreifens 23 gelegt, und zwar mit Ab­ ständen gleicher Größe voneinander. Die Dicke der Distanzie­ rungsstreifen 23 ist gering. Die beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 0,2 mm. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stücken der Distanzierungsstreifen ist so groß gewählt, daß die in den Nuten 21′ auf den Distanzierungsstreifen 23 aufliegenden Schraubenfedern 25 bei einer Druckbelastung im Bereich einer solchen Abstandsstelle bis zur Anlage an der Schicht 22 durch­ gebogen werden. Die Schraubenfedern 25, welche wie die Schrau­ benfedern 5 ausgebildet sind, stehen geringfügig, beispielsweise etwa 0,2 mm, über die Oberseite der Unterplatte 21 über. Bei einer Druckbeanspruchung der Oberplatte 27 kann diese sich des­ halb nur bis zur Anlage an der Oberseite der Unterplatte 21 durchbiegen, wodurch eine mechanische Überbeanspruchung der Schraubenfedern 25 ausgeschlossen ist. Je nachdem, ob die Schichten 22 und die Schraubenfedern 25 in einem oder mehreren Signalstromkreisen liegen, ist keine Lokalisierung oder nur ei­ ne Lokalisierung der Kontaktstelle oder Kontaktstellen inner­ halb eines Streifens möglich.

Claims (7)

1. Sensor zur Erzeugung eines elektrischen Signals bei Druckbelastung, mit wenigstens zwei im druckunbelastetem Zustand durch elektrisch isolierende Distanzierungsmittel im Abstand voneinander gehaltenen und bei einer über einem unteren Grenzwert liegenden Druckbelastung einander kontak­ tierenden, metallischen Kontaktelementen, von denen wenigstens das eine durch eine elastisch verformbare sowie bei Druckentla­ stung in ihre Ausgangslage und -form zurückkehrende, in Nuten eines Isolierkörpers liegende Schraubenfeder gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das von der Schraubenfeder (5; 15; 25) kontaktierbare Kon­ taktelement durch ein auf einem elektrisch isolierenden, plattenförmigen Element (1; 11; 21) liegenden Kontaktblech (2; 12; 22) gebildet ist,
• b) die Distanzierungsmittel durch eine in jedem für die Kontakt­ bildung zwischen der Schraubenfeder (5; 15; 25) und dem Kontaktblech (2; 12; 22) vorgesehenen Bereich unterbrochene, elektrisch isolierende Schicht (3; 23) gebildet sind,
• c) der Isolierkörper als flächenhaftes Element (4, 7; 17; 21) ausgebildet ist, dessen die Schraubenfeder (5; 15, 25) aufnehmende Nuten (6; 16; 21) gegen das der Anlage des Kontaktbleches (2; 12; 22) dienende Element (1; 11; 27) hin offen sind,
• d) zumindest dasjenige der beiden übereinander angeordneten Elemente (1, 4, 7; 11, 17; 21, 27), das die oben liegende Platte bildet, sich unter einer kontaktbildenden Belastung elastisch deformierend ausgebildet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (6) durch auf dem plattenförmigen Element (1) parallel und im Abstand nebeneinander angeordnete Streifen des flächenhaften Elements (4) gebildet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das mit der Schraubenfeder oder den Schraubenfedern (5) zusammenwirkende Kontaktblech (2) durch eine elektrisch leitende Schicht des ihm als Träger zugeordneten plattenförmigen Elementes (1) gebildet ist.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das mit der Schraubenfeder oder den Schraubenfedern (15; 25) zusammenwirkende Kontaktblech (12; 22) durch einen am Grund einer der Nuten (11′; 21′) liegenden Kontaktstreifen gebildet ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Kontaktblech (22) bildenden Kontaktstreifen in den die Schraubenfedern (25) aufnehmenden Nuten (21) unter Zwischenlage der die Distanzie­ rungsmittel bildenden Schicht (23) liegen.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Distanzierungsmittel bildende Schicht (3, 23) durch eine Isolierfolie (3′) oder durch streifenförmige Isolierelemente gebildet ist.

7. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Kontaktblech (12) in die Schraubenfedern (15) kreuzenden Nuten (11′) liegt.