DE3750876T2

DE3750876T2 - Verfahren und Vorrichtung zum kapazitiven Druckfühlen.

Info

Publication number: DE3750876T2
Application number: DE19873750876
Authority: DE
Inventors: Donald A Duncan; Jeffrey B Tripp
Original assignee: KEY CONCEPTS Inc
Current assignee: KEY CONCEPTS Inc
Priority date: 1987-04-15
Filing date: 1987-04-15
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2007-04-16
Also published as: AU597059B2; EP0286747A1; AU7264887A; DE3750876D1; EP0286747B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Druckmeßmethoden und Druckmeßgeräte und betrifft dabei spezieller einen neuartigen zweidimensionalen kapazitiven Sensor und Techniken, die speziell, aber keineswegs ausschließlich, auf Musik- und Rhythmusinstrumente anwendbar sind sowie bei anderen Einrichtungen, die auf Berührung und variable Kräfte ansprechen, welche auf eine zweidimensionale Fläche einwirken.
Ein bekannter kapazitiver Drucksensor ist in dem US-Patent 42 13 267 beschrieben. Er besitzt eine Vielzahl von berührungsempfindlichen Elementen, die als variable Kapazität wirken, und zwar in Abhängigkeit von einem auf die Elemente einwirkenden Druck.
Andere bekannte kapazitive Drucksensoren besitzen eine elastische gekrümmte oder sich verjüngende leitende Elektrode, die bei einer Betätigung einer Instrumententaste oder durch einen anderen Druck verformt wird, und zwar für ein variables kapazitives Zusammenwirken mit einer festen Elektrode, die elektrisch getrennt vorgesehen ist, wie dies in dem US-Patent 44 98 365 von Jeff Tripp beschrieben ist, wobei diese Sensoren sehr brauchbar sind für die Betätigung über einen einzigen begrenzten Bereich für den Druckkontakt. Solche Sensoren liefern ein andauerndes Senseorsignal, nämlich fiir die elektronische Tonerzeugung in einem Instrument, und ermöglichen darüberhinaus auch Druckvariationen nach der Betätigung der Tasten oder nach einem anderen Druckkontakt, und zwar für solche Zwecke, wie für die Erzeugung einer zweiten Note oder eines zweiten Tones oder für die Erzeugung eines Anstiegs oder Anschwellens des Tones oder einer Tonvariation, und zwar in der dort gegebenen Erläuterung für die Verwendung in einem Instrumenten-Keybord. Klar ist, daß auch andere Anwendungen, die ähnliche Charakteristiken oder Verhalten erfordern, möglich sind.
Es gibt jedoch Fälle, wo es erwünscht ist, daß der Druck über eine zweidimensionale Fläche ausgeübt wird, und zwar mit einer Empfindlichkeit für Änderungen in der Einwirkung und/oder für ein Ausgangssignal, welches speziellen Mustern oder dynamischen Form- oder Flächenänderungen des auf die zweidimensionale Oberfläche einwirkenden Druckes entspricht. Eine mögliche Ausführung benötigt beispielsweise eine Trommelmembrane, die aktiviert wird durch den Schlag mit einem Trommelstab oder -stock oder durch das Überstreichen mit einem Trommel- oder Schlagbesen und/oder durch das Überstreichen der Membrane mit den Fingern oder der Hand mit unterschiedlichen dynamischen Druckmustern und -Variationen, d.h. eine Einrichtung bzw. einen Sensor, der zweidimensional in feinen Punkten und Bereichen unabhängig den Druck mißt bzw. erfaßt und in elektrische Signale umwandelt, und zwar für die Erzeugung von Tönen, die derartige Drucke und Druckmustern charakterisieren. In ähnlicher Weise können als weitere Möglichkeit Konfigurationen mit mehreren Elektroden vorgesehen werden, die mit einer gemeinsamen elastischen Elektrode zusammenwirken, wie dies später beschrieben ist, und zwar für die Reproduzierung von visuellen Mustern, beispielsweise zum Messen von Abdrücken der Hand, Finger oder des Fußes sowie zur Messung von Änderungen in deren Bewegung, wobei auch in diesem Fall wieder gearbeitet wird mit einer zweidimensionalen, kontinuierlichen, dynamischen Messung.
Für die Verwendung in Tastern oder Taster-Sensoren zur Erzeugung eines Sensorsignals wurden leitende elastomere Pads entwickelt, und zwar mit einer Anordnung von Sensorelementen, die durch eine Spannung angesteuert sind und mit Widerstandsänderungen arbeiten, und zwar in Abhängigkeit vom Druck, wobei die Sensorelemente in einer Reihen- Spalten-Folge abgetastet werden, um ein digitales Ausgangssignal für den angestrebten Zweck mit mehreren Bits zu erzeugen (hierzu beispielsweise Barry Wright Corporation 1984, Bulletin "Sensorflex/Astek", Seite 17, 18). Obwohl zweidimensional, haben derartige Sensoren Probleme in der Stabilität der Leitfähigkeit über eine längere Zeitdauer und erfordern eine komplexe Elektronik und haben weiterhin in der Praxis Grenzen bezüglich der Größe oder Fläche, die in Hinblick auf den Widerstand des Pads überwacht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dementsprechend, eine neuartige und verbesserte Methode sowie eine neuartige und verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung von derartigen zweidimensionalen Druckmeßsignalen zu schaffen, und zwar für solche und andere Anwendungen, die ähnliche Ausgangssignale erfordern.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, neuartige Musik- und Rhythmusinstrumente, einschließlich von trommelartigen Elementen, mit größerer Flexibilität zu schaffen, die aus der Anwendung der neuartigen Druckmessung gemäß der Erfindung resultiert.
Andere und weitere Aspekte werden nachstehend erläutert und sind speziell in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Entsprechend einem Aspekt der Erfindung ist ein kapazitiver, auf Druck ansprechender Sensor vorgesehen, der erste Elektrodenmittel, die von einem dünnen, elastischen und leitenden Kunststoff-Flachmaterial mit benachbarten Bereichen gebildet ist, welche beim Aufbringen eines Druckes auf eine Seite eines Flachmaterials durch Druck verformbar sind, und zweite Elektrodenmittel aufweist, die von diesen durch eine dünne dazwischenliegende dielektrische Schicht getrennt sind. Ein derartiger Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß die erwahhten ersten Elektrodenmittel eine Vielzahl von nicht beabstandeten elastischen und leitenden Vorsprungen aufweisen, die von der der anderen, den Elektrodenmitteln (2) zugewandten Seite des Flachmaterials wegstehen, und daß die erwähnten zweiten Elektrodenmittel sich über einen gemeinsamen Bereich mit den Vorsprüngen erstrecken.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ist ein Querschnitt eines bevorzugten zweidimensionalen kapazitiven Drucksensors, der für den Zweck der Erfindung brauchbar ist;
Fig. 2A - 2C sind experimentell ermittelte Verläufe oder Kurven, die dann erhalten werden, wenn mit einem Trommelstab auf den Sensor der Fig. 1 eingeschlagen wird, und
Fig. 2D und 2E sind Ausgänge bzw. Ausgangssignale bei flächigen Druckeinwirkungen auf den Sensor;
Fig. 3A - 3D sind vergrößerte Detaildarsttellungen von Formgebungen von Vorsprüngen, die als Elektroden des Sensors der Fig. 1 brauchbar sind;
Fig. 4A ist eine isometrische Darstellung, teilweise aufgeschnitten, einer mehrere Abschnitte oder Sektoren aufweisenden Trommel, die eine Vielzahl von Sensorpads oder Sensozonen verwendet, und zwar für selektive und relativ voneinander unabhängige Effekte;
Fig. 4B ist ähnlich der Fig. 4A, verwendet aber ein einziges elastisches Pad bzw. eine einzige elastische flache kissenartige Sensorelektrode;
Fig. 4C ist eine ähnliche Darstellung eines Bodenabschnitts der Trommel, nützlich bzw. -verwendbar bei beiden Ausführungsformen der Figuren 4A und 4B; und
Fig. 5 ist ein Schaltkreisdiagramm eines bevorzugten Signalverarbeitungsgerätes, ansprechend auf die kapazitiven Änderungen der Sensoren des Instrumentes der Figuren 4A und 4B, um Signale zu erzeugen, die beispielsweise dazu verwendet werden können, um Tongeneratoren zu steuern, um gewünschte Töne und Klänge zu erzeugen.
Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, besteht der Drucksensor in seiner bevorzugten Ausführungsform aus einer dünnen Elektrode 1, die als dünnes elastisches Kissen oder Pad aus einem leitenden Gummi oder aus einem anderen leitenden elastischen Material hergestellt ist und vorzugsweise mit einer Schutzschicht C versehen ist, beispielsweise aus Mylar (registrierte Marke) oder dergl. Material, wie dies später noch im Detail erörtert wird, wobei die Elektrode eine ebene Oberfläche aufweist, von deren einer Seite (dargestellt als untere Oberflächenseite) gekrümmte oder andersweitig eine variable Abmessung oder konische Vorsprünge l' des gleichen leitenden elastischen Materials wegstehen, und zwar in einer zweidimensionalen, dicht beabstandeten und vorzugsweise gleichförmigen Anordnung mit einer dichten kapazitiven Beziehung mit einer zweidimensionalen leitenden Elektrodenfläche 3, die sich über den gleichen Bereich erstreckt und von den Vorsprüngen l' durch eine dünne dielektrische Schicht 2 getrennt ist, und zwar vorzugsweise durch eine dielektrische Schicht, die in gewissem Sinne ebenfalls elastisch verformbar ist. Die Elektrodenfläche 3 ist in der Figur so dargestellt, daß sie fest an einem harten nicht beweglichen Bord B befestigt ist, so daß das Drücken der Elektrode 1 in mechanischem Kontakt mit der nicht bewegbaren Elektrode 3 die erwünschten kapazitiven Änderungen, die gemessen werden sollen, bewirkt, wobei die Elektrode 3 das Nachuntendrücken der oberen elastischen, pad-artigen Elektrode begrenzt. In den Figuren 3A - 3D sind verschiedene gekrümmte sowie konische Formen für die Vorsprünge l' dargestelt, und zwar im wesentlichen halbkugelförmig, als abgeschnittene Halbkugel mit konischen oder kegelförmigen Spitzen, als doppelkonische Spitzen und als Konus mit einer etwas abgerundeten Spitze usw.
Es wurde festgestellt, daß dann, wenn die abgewandte (obere) Oberfläche der Elektrode 1 deformiert wird, beispielsweise mit dem Finger F in der Fig. 1, die gekrümmen oder spitz zulaufenden oder konischen Vorsprünge l' unter dem von der Fingerspitze gebildeten Muster entsprechend niedergedrückt und deformiert werden, wobei deren sich ändernde Dicke verformt wird, um größere kapazitive Effekte zu erreichen, und zwar mit einer im wesentlichen individuellen unabhängigen Auswahl von Verformungen für die Vorsprünge, um so die Fingerkontur und die unterschiedlichen Kräfte, die durch die verschiedenen Abschnitte der Fingerspitze auf die einzelnen Projektionen unmittelbar darunter ausgeübt werden, darzustellen bzw. zu simulieren. Mit einer geeigneten Elektronik, die an den Ausgängen 4 und 5 dieses variablen Kondensators 1-1'-2-3 angeschlossen ist, erzeugen, wie später noch beschrieben wird, die Einwirkung und Bewegung der Fingerspitze kapazitive Änderungen, die leicht zu Signalen verarbeitet werden können, welche dann die Erzeugung von akustischen Tönen und Klängen steuern können, und zwar mit hörbaren Effekten proportional zu dem Druck und entsprechend dem Angriff bzw. Einwirken der Fingerspitze sowie entsprechend zu den dynamischen Oberflächen-Druckmustern, die mit der sich bewegenden Fingerspitze auf der Oberfläche der kissenartigen Elektrode 1 erzeugt werden. Mit der Abdeckschicht C, die über der Elektrode 1 aus Silikongummi oder einem anderen elastischen flachen Pad hergestellt ist, ist ein Schutz gegen Abrieb oder Verschmutzung des Pads sowie gegen ein statisches Anlagern von Staub gegeben. Zusätzlich dient die Schicht C als ein elektrischer Isolator, um zu verhindern, daß die Körperkapazität das System beeinflußt und auch um zu verhindern, daß Geräusche in das System einfließen können. Die Schicht dient weiterhin als ein "Spreitzer" oder eine verteilende Abdeckung, die dort sinnvoll ist, wo hohe punktuelle Kräfte auftreten können (beispielsweise an dem Kopf eines Trommelstabes), um die Kompression des Pad zu begrenzen und eine mechanische Verstärkung des Signales zu erreichen, und zwar dadurch, daß das mechanische Einwirken über einen größeren Bereich des Kondensators verteilt wird.
In der in der Fig. 4A dargestellten Ausführungsform kann auf das Trommelfell oder auf die Abdeckschicht C mit einem Trommelstab oder mit einem Trommelbesen eingewirkt werden, und zwar durch Schlagen und/oder Überstreichen mit einem Stab, mit einem Besen, mit den Fingern oder Händen über die Membrane usw., und es wurde festgestellt, daß auf diese Weise individuelle kapazitive Änderungen entlang der zweidimensionalen Fläche erzeugt werden, die als Signale verarbeitet werden können, und zwar zu Klang- und Tonmustern, die diesen entsprechen sowie zu Signalen, die im wesentlichen proportional zu den angewandten Druckmustern sind, und zwar bevorzugt in einem kontinuierlichen bzw. fortlaufenden Druckmeßverfahren der einzelnen Sensoreinheiten, die in diesem Patent beschrieben sind. Verschiedene Signalschwellen für die Größe des Niederdrückens können vorgesehen werden, wie in dem erwähnten Patent und in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben ist, und zwar für spezielle Ton- und Klangeffekte, einschließlich von Effekten mit zwei- oder mehrfachem Anschlag während des Niederdrückens sowie einschließlich Tonvariationseffekten.
Figuren 2A - 2C zeigen experimentell erhaltene visuelle Darstellungen oder Kurven von Ausgangssignalen, die durch die kapazitive Elektrodenkonfiguration erzeugt wurden, und zwar bei einem leichten, mittelstarken oder harten Einwirken auf diese Konfiguration bzw. auf die Membrane mit einem Trommelstab, und zwar dargestellt mit einem Drucker, der mit der Elektrode verbunden ist, wobei die Signalerzeugung später in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wird. Die Elektrode 1 - 1' bestand aus einem Kunststoff-Flachmaterial aus Silikon mit Kohlenstoffzusatz, und zwar mit einer Dicke von ungefähr 1 mm (ein Zehntel eines Zolls) und mit ungefähr 60 Durometer, wobei das Flachmaterial eine zweidimensionale Anordnung von dicht voneinander beabstandeten geformten Vorsprüngen trägt, und zwar jeweils 15 Vorsprünge pro Quadratzentimeter (100 Vorsprünge pro Quadratzoll), die ungefähr 1,5 mm (0,06 Zoll) von einem Flachmaterial oder Streifen 1 mit einer Dicke von 0,08 mm (0,035 Zoll) wegstehen. Die andere Elektrode 3 war eine 0,025 mm (1 Mil) Aluminiumfolie mit der dielektrischen Schicht 2 aus "Kapton" (ein Polyamid-Kunststoff von DuPont) und besaß ebenfalls eine Dicke von ungefährt 1 Mil.
Der Flächen-Druck-Effekt ist in den Figuren 2D und 2E dargestellt, wobei die erstere Kurve das Ausgangssignal (willkürliche Einheiten) der Sensorfläche in Abhängigkeit der Fläche wiedergibt, auf den die Kraft ausgeübt wurde, und die zweite Kurve das Ausgangssignal als eine Funktion der Kraft wiedergibt, die auf den Sensorabschnitt ausgeübt wurde.
Es wird nunmehr erneut Bezug genommen auf die trommelartige Anwendung der Fig. 4A. Ein Klemmring 9 kann die Anordnung zusammenhalten, und zwar mit einer Platte 7 (Figuren 4A und 4C), die die Grundplatte einschließen kann. Falls erwünscht, kann die Elektronik für die Signalverarbeitung an der Unterseite der Basisplatte B bei B', Fig. 4C, vorgesehen sein, wie später beschrieben.
Verschiedene Abschnitte der Bereiche der Trommeloberseite C können vorgesehen sein, wie dies bei 6', 6" usw. in der Fig. 4A dargestellt ist, und zwar für unabhängige unterschiedliche Effekte an derartigen Bereichen oder Sektoren, wobei eine geformte metallische "Spinne" oder ein Trennelement 10 zwischen den Bereichen vorgesehen ist. Das Trennelement ist auf die obere Trommelabdeckung C mit einer Klebeschicht 8 aufgeklebt, um eine Struktur zu bilden, die ein Übersprechen zwischen den Bereichen verhindert.
Die Grundkonfiguration des Systems umfaßt also (1) ein P.C. Bord, beispielsweise (aufgebracht auf einen Polyesterfilm z.B. aus Mylar), das die Bodenelektroden 3 des Sensors, Mittel, um das anstreibende oder ansteuernde Signal mit den oberen elastischen Elektroden zu verbinden und Mittel zum Verbinden mit den Hauptelektroden aufweist; (2) ein flaches Dielektrikum 2, welches z.B. mit Hilfe eines Klebers auf dem P.C. Bord festgeklebt oder auf dieses Bord aufgebracht ist; (3) die obere Elektrode oder Elektroden 1 aus einem strukturierten leitenden Elastomer, wie vorstehend beschrieben; (4) eine obere Abdeckung oder Trommeloberseite C; (5) eine Elektronik, die ein Antriebssignal bzw. ein Betriebssignal an die elastische Elektrode oder Elektroden liefert und die Umkehrung des Signals an die andere Seite des Meßkondensators liefert, die Kapazitätsänderungen des Sensorbereiches erfaßt und diese Änderungen in geeignete oder brauchbare elektronische Signale umformt. Es können Vielfach-Elektroden 4 unterhalb einer einzigen elastischen flachen Elektrode 1-1' vorgesehen sein, Fig. 4B, um eine Vielzahl von unabhängigen Zonen zu bilden, wie dies später noch näher beschrieben wird.
Die gesamte vertikale Ablenkung in dem System mit der augenblicklichen Formgebung beträgt ungefähr 0,15 cm (1/16 Zoll). Die Kraft, die erforderlich ist, um einen Bereich abzulenken, ist zumindest grob proportional zu dem erzeugten Signal, und dieses spiegelt die Kraft in einer Weise wieder, die es in einem wirksamen Drucksensor der Fall ist. Das beschriebene System kann mechanisch und elektronisch variiert und modifiziert werden, um einen weiteren Bereich von Kräften umzusetzen oder zu erfassen und um einen tieferen Betätigungsabstand für Anwendungen zu erreichen, bei denen dies sinnvoll sein könnte, falls dies erwünscht ist.
Die ebene Natur des Systems bedeutet, daß je kleiner das Verhältnis der Aktivierungszone zu dem gesamten Bereich der Sensorzone ist, desto kleiner auch das Aktivierungssignal relativ zu der "Basis" oder verbleibenden Kapazität der Zone ist. Da große Zonen verwendet werden, ist diese Basiskapazität groß. Sobald die Gummivorsprünge 1' vollständig zusammengedrückt sind, ergibt sich für eine zusätzliche Kraft oder einen zusätzlichen Druck kein Anstieg im Signal. Wegen der begrenzten vertikalen Bewegung werden Schläge, die auf kleine Bereiche mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden, sehr schnell ausgegeben. Die Verwendung der halbstaren Mylar-Deekschicht für die mechanische Verstäkung bringt einen zusätzlichen Bereich des Kondensators ins Spiel, und zwar sowohl bei leichten als auch bei starken Schlägen auf schmale Flächen und schafft auch einen größeren Bereich von differenzierbaren Einwirkungen. Das Verhältnis der Fläche der benachbarten Kapazität im Vergleich zu der Fläche des aktivierenden Werkzeuges wird reduziert, da die durch ein Werkzeug aktivierte Fläche größer wird, und zwar bis ein Einwirken ebenso groß wie die Zone oder der Sektor keine mehr Verstärkung zeigt. Mit anderen Worten bedeutet ist, daß die Verwendung der mechanischen Verstärkung es ermöglicht, einen größeren Bereich des Kraft-Flächen- Produktes (Druck oder Einwirkung) in einem kleineren Bereich des effektiven Umsetzers der Sensor-Elektronik-Kombination unterzubringen.
Es ist wert darauf hinzuweisen, daß das "Flachmaterial" bzw. die Bahn der aus leitendem Gummi bestehenden Elektrode 1-1' eine ähnliche, allerdings nicht identische Rolle spielt, wobei die Dicke des Flachmaterials einstellbar ist, um das System an eine spezielle Anwendung anzupassen.
Diese Konstruktion reduziert nicht das Maß der Unabhängigkeit der lokalen Flächenbbereiche der Oberfläche; es ist aber dies, was es ermöglicht, vergleichbare Signale zu erhalten, und zwar von einem Schlag mit hoher Geschwindigkeit auf eine schmale Fläche oder einen schmalen Bereich (Trommelstab) sowie von einem Schlag mit geringer Geschwindigkeit auf einen großen Bereich oder eine große Fläche (ein Finger). Die halbfeste Abdeckschicht oder obere Schicht C hat eine weitere dynamische Funktion bei der Trommel. Je härter sie geschlagen wird, desto härter erscheint sie anfänglich und umso größer erscheint auch die Fläche des Kondensators, die aktiviert wird (wiederum mechanische Verstärkung). Die Abdeckschicht kann variiern von Nichtvorhanden zu dünn und elastisch (lediglich zum Schutz) oder zu dünn und halbfest oder halbstarr (dünnes Mylar) oder zu dicker, halbstar oder zu starr.
Letzteres würde verwendet, um das System flächenunempfindlich zu machen, und zwar für Anwendungen in hohen Kraf- oder Druck-Bereichen, wie beispielsweise Wägeeinrichtungen oder Sensoren für das Messen von Stößen oder Schlägen, oder aber in Kombination mit einem anderen Sensor im Stapel, um eine flächenabhängige Information von dem oberen Sensor und zugleich auch eine flächenunabhängige Information von unten zu erhalten, oder aber in einem Stapel aus mehreren Sensoren für eine präzise Kraftmessung über längere Distanzen.
Die Anwendung der Erfindung als elektronisches Trommelelement mit mehreren Zonen oder Sektoren, in ihren bevorzugten praktischen Ausführungen und Konstruktionen der Figuren 4A und 4B, sieht fünf unabhängige Schlagzonen 6', 6", 6"' usw. an der Oberseite und fünf CV- Ausgänge (für analoge Spannung) vor. Die Trommel wird mit einer 12 Volt Batterie oder einer anderen Gleichspannungsquelle betrieben und ist auf einem Standard-Trommelhalter mittels einer am Boden vorgesehenen Klemme gehalten, wie dies später noch erklärt wird.
Das System spricht dann auf ständige oder permanente und auch auf impulsförmige Kräfte an, wobei die Ansprechzeit in einem Zehntel eines Mikrosekundenbereichs liegt und die Ansprechfrequenz im Kiloherzbereich liegen.
Das Ausgangssignal ist eine analoge Spannung, die die Änderungen der Kapazität aufgrund des Einschlagens oder des Drückens des Kissens beinhaltet bzw. wiederspiegelt. Diese Ausgangsspannung ist so skaliert bzw. eingestellt, damit die meisten der vorhandenen elektronischen CV-Trommel-Steuergeräte angesteuert werden können. Wie vorstehend festgestellt wurde, ist ein bevorzugter elektronischer Schaltkreis für das Arbeiten mit Sensoren der Figuren 1, 4A und 4B in der Fig. 5 wiedergegeben, wobei diese Trommel einen Bodenabschnitt, Fig. 4C, verwenden, der beiden Ausführungsformen der Fig. 4A und 4B gemeinsam ist. Bei einer praktischen Ausführung ist der Boden der Anordnung beispielsweise eine Scheibe B aus einer 1 Zoll dicken Platte oder Preßplatte, die an der Rückseite mit einem Hohlraum B' für die Elektronik versehen ist. In diesem ist eine gedruckte Schaltung 11 angeordnet, beispielsweise aus einem Zuschnitt aus Mylar, auf der Leiterbahnen aufgebracht sind, um die fünf Boden-Elektrodenflächen 3 für die fünf Zonen 6', 6", 6"' usw. zu bilden. Das Antriebssignal wird den elastischen Elektroden 1-1' zugeführt, und zwar mit Leitern 4 und 5 zur Verbindung dieser Bereiche mit der Elektronik E. Die Verbindungsstränge verlaufen entlang einer Membranzunge 11', die sich um den Körper an die Ausnehmung B' für die Elektronik erstreckt. Über den Elektronenbereichen 3 ist anschließend ein Material auf Urethanbasis aufgebracht, welches als dielektrische Schicht 2 dient. Diese Schicht ist vorzugsweise auch auf die Lasche aufgebracht, um eine Isolation zu bewirken. Über der gedruckten Schaltung ( Printbord) sind fünf mit einem Werkzeug hergestellte Zuschnitte der elastischen Elektrode 1-1' sowie das spinnenartige Trennelement 10 angeordnet. Das Trennelement ist durch die gedruckte Schaltung hindurch am Körper mit mehreren Halteelementen F, beispielsweise Schrauben befestigt. Der Separator legt gleichzeitig auch die Elektroden 1-1' in ihrer Position fest und verbindet elektrisch die Leiter oder Verbinder 4 mit den fünf Elektroden für das Antriebssignal.
Ein Distanzring 12 ist entlang des Umfangs der Anordnung vorgesehen, und zwar mit einem zugeschnittenen Film 8, der über dem spinnenartigen Trennelement plaziert ist und anschließend wird die obere Abdeckung sowie der Haltering 9 auf die Anordnung aufgelegt, wobei der Haltering 9 noch dicht um den Boden der Anordnung herumgebogen ist. Die Anordnung wird dann gewendet und anschließend wird die untere Platte 7 eingesetzt und der Halte- bzw. Abschlußring 9 wird dann in seine endgültige Form gebogen. An einer Platine 13 sind die fünf Ausgangsbuchsen sowie die Power-Buchse J und zwei Potentiometer P montiert, wobei sämtliche Anschlüsse später in dem Schaltkreis der Fig. 5 näher erläutert werden. Diese Anschlüsse oder Elemente sind mit der Elektronik E, die an dem Boden B' montiert ist, verbunden. Die Membranzunge wird dann mit der Elektronik verbunden und die Platine wird auf dem Boden zusammen mit der Trommelklemme 14 befestigt, um die Anordnung zu vervollständigen.
Falls die Version der Fig. 4B mit nur einem einzigen elastischen Kissen oder Pad verwendet wird, sind die geschnittenen elastischen Elektroden, das spinnenartige Trennelement und der klebende Film nicht verwendet, sondern ersetzt durch ein einziges, geformtes Pad, auf dem fünf Zonen der Elektrode 1-1' definiert sind, und zwar getrennt durch Segmente eines festen leitenden Gummis 1". Die Befestigungselemente sind durch diese festen Segmente und durch die Printplatte hindurch in den Körper eingebracht und halten damit gleichzeitig die Anordnung in Position und verbinden die Verbinder 4 mit den Elektroden 1-1'.
Bei der Anwendung der Erfindung bei Sensoren mit einer einzigen Zone, stellt die Erfindung eine erhebliche Neuerung darhingehend, daß sie (1) ähnliche Signale für ähnliche Eingänge an unterschiedlichen Punkten der Oberfläche erzeugen kann, (2) gleichzeitig das Ergebnis von Fläche und Druck an allen Punkten der Oberfläche umwandeln bzw. erfassen kann und (3) ein kontinuierliches Ausgangssignal liefern kann, und zwar proportional entweder zu statischen oder dynamischen Druckmustern an der Oberfläche des Sensors. Nicht unterscheiden kann dieser Sensor (1) den Bord der Druckeinwirkung an seiner Oberfläche, (2) die Kraft, die an jedem Punkt seiner Oberfläche einwirkt, oder (3) ob das Flächen-Druckmuster ein solches mit großer Fläche und niedriger Kraft oder ein solches mit kleinerer Fläche und großer Kraft ist. Um diese Information zu entwickeln, ist es notwendig, eine Anordnung mit einer Vielzahl von zweiten Elektroden zu verwenden, wie dies später beschrieben wird.
Das Ausgangssignal ist eine analoge Spannung, die die Änderungen der Kapazität bedingt durch das Schlagen oder Drücken des flachen Kissens enthält; diese Änderungen sind so skaliert, daß die meisten bestehenden CV-Elektronik-Trommel-"Gehirne" bzw. Steuereinrichtungen angesteuert werden können. Wie vorstehend festgestellt wurde, verwendet ein bevorzugtes elektronischer Schaltkreis für die Zusammenarbeit mit den Sensoren der Figuren 1, 4A und 4B, wie er in der Fig. 5 dargestellt ist, eine Quelle für eine Hochfrequenzspannung AC und mißt den Anteil an dem AC-Stromfluß. Dieser Anteil ist durch die folgende Gleichung bestimmt:
I = 2EFC.
Hierbei ist I der Strom in Ampere, E ist die anliegende AC-Spannung (angenommene Sinusspannung), F ist die Frequenz und C ist die Kapazität des Sensors 1-1'-2-3 in Farad. Typische Werte für diese Variablen bzw. Größen bei der Trommelanwendung der Erfindung sind, wie folgt:
E = 8 Volt
F = 100 kHz
C = 300 pF
I = 1,0 OmA
Die Größe des Stromflusses representiert die augenblicklichen bzw. jeweilige Größe der Kapazität, die ihrerseits das gegenwärtige Produkt der auf den Sensor einwirkenden Kraft und zugehörigen Fläche wiedergibt. Es bestehen verschiedene Methoden, um die Basiskapazität zu kompensieren, die dann vorliegt, wenn keine Kraft einwirkt. Die bevorzugte Methode hierfür ist eine gleichgroße, jedoch um 180º phasenversetzte Spannung an einen festen Kondensator anzulegen, dessen Kapazität gleich der der Basiskapazität ist und diese Kombination mit dem Sensorausgang zu verbinden. Das Resultat hiervon ist, daß die beiden Kondensatorströme sich aufheben und der resultierende Strom Null ist. Wenn der Druck einen Anstieg des Stromes durch den Sensor bewirkt, steigt der resultierende Strom ausgehend von Null an und liefert damit ein brauchbares Ausgangssignal.
In der Fig. 5 ist oben ein Gegentakt-Sinus-Leistungsoszillator wiedergegeben, der aus den beiden Transistoren T1, T2, den Netzwer-Widerständen R1 - R5, einer Oszillatorspule CT mit Mittelanzapf sowie aus einem parallelen Kondensator C' besteht. Die Kombination der Induktivität (250 Mikrohenry) der Spule CT und der Kapazität des Kondensators C' (0,01 Mikrofarad) liefert einen Resonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz von ungefähr 100 kHz. Die Basis-Kollektor-Widerstände R3 und R5 (22 KOhm) bewirken die Rückkopplung, die notwendig ist, um die Oszillation zu starten und aufrecht zu halten, während die Basis- Emitter-Widerstände R2 und R4 (4,7 KOhm) eine Übersteuerung der jeweiligen Transistorbasis verhindern. Der Serien-Widerstand R1 (470 Ohm) simuliert eine Stromquelle, die die nahezu perfekte Sinuswelle (Abweichung von etwa 1%) des Oszillators verbessert. Da der Mittelanzapf der Spule CT mit der Masse verbunden ist, liegen an den Enden der Spulen genau gegenphasige Sinusspannungen oder Wellen gleicher Größe an, und zwar für die übrige Schaltung. Der Oszillatorausgang, der mit "drive out" bezeichnet ist, führt an die gemeinsame Platte der Sensoren, beispielsweise an das aus leitendem Gummi hergestellte Pad 1-1' der Fig. 4B, während das in der Phase entgegengesetzte Oszillator-Ausgangssignal dem signalverarbeitenden Schaltkreis zugeführt wird, wie dies nun beschrieben wird.
Die Schaltung besteht aus fünf ähnlichen Einzel-Schaltkreisen für die fünf Sensorpads oder Sensorabschnitte, wobei der Schaltkreis für das Sensorpad Nr. 1 (beispielsweise Sektor 6') zur Illustration beschrieben wird. Der Drucksensor ist extern zwischen den Ausgängen bezeichnet mit "drive output" und "Pad 1 in" angeschlossen. Der kapazitive Strom, der proportional zu der Kapazität des Sensors ist, fließt somit in den Anschluß "Pad 1 in". Zur gleichen Zeit fließt auch der Strom der entgegengesetzten Phase von der anderen Seite des Oszillators in "Pad 1 in" und zwar durch eine Netzwerkkombination bestehend aus einer Serienschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität, bei welchem (Netzwerk) der Wert des Widerstandes fest ist und der Wert der Kapazität (C") über einen begrenzten Bereich einstellbar ist. In der Praxis ist der Kondensator bzw. dessen Kapazität so eingestellt, daß dieser Wert gleich der Basiskapazität des Sensors ist, wie dies vorstehend erläutert wurde. Der Widerstand bewirkt eine vollständigere Aufhebung der beiden Ströme, und zwar unter Berücksichtigung des wirksamen Widerstandes des leitenden Gummipads 1-1'. Ein perfekter Ausgang bzw. Abgleich ist nur dann erreicht, wenn sowohl C2 als auch der Widerstand übereinstimmen. In der Praxis hat der Widerstand nur einen kleinen Anteil an der Gesamtimpedanz, so daß ein exakter Abgleich des Widerstandes nicht von grundlegender Bedeutung ist (20% Fehlabgleich beim Widerstand hat nur geringe Auswirkungen).
Wird Druck auf den Sensor ausgeübt, so steigt der in den Eingang "Pad 1 in" fließende resultierende Strom an, und zwar ausgehend von Null. Dieser Stromfluß erzeugt eine kleine Wechsel-Spannung an dem Widerstand R" (4,7 KOhm). Diese Wechselspannung wird dann mit Hilfe der Diode D (1N 270 Germanium) gleichgerichtet und die sich hieraus ergebende Gleichspannung wird an einem 0,01 Microfarad-Kondensator, der als solcher auch bezeichnet ist, angelegt bzw. gehalten. Die Germanium-Diode wird verwendet, um Schwellspannungeneffekte von Silicium-Dioden zu vermeiden, und zwar bedingt durch deren relativ hohe Schwellspannung in Durchflußrichtung (0,6 Volt). Bei größerem Druck ist die positive Gleichspannung an dem 0,01 Microfarad-Kondensator größer. Bei kleineren Drücken nimmt die Ladung des Kondensators über die Diode D langsam ab, und zwar über eine Periode von mehreren Millisekunden. Auf diese Weise hat der 0,01 Microfarad-Kondensator die Tendenz, den Wert von Druckspitzen momentan zu halten. Die relativ kleine Kondensatorspannung (üblich unter 1 Volt) wird sechsfach durch einen Operationsverstärker A (LM 358) und ein Rückkopplungsnetzwerk Rf und Rf' (beispielsweise 100 KOhm bzw. 22 KOhm verstärkt). Die Ausgangsspannung des Verstärkers wird schließlich dem Anschluß "Pad 1 out" zugeführt, und zwar über einen Schutzwiderstand R0 von 1 KOhm. Diese Spannung (und jene von den anderen vier Kanälen) werden dann an einen Synthesizer geleitet, der in einer erwünschten Weise auf Änderungen in den Spannungspegeln anspricht, wie dies bekannt ist.
Bei der aktuellen Verwendung ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, die Empfindlichkeit des Schaltkreises sowie das Ansprechen auf den Druck einzustellen. Die Gesamtempfindlichkeit des Sensors wird durch die Ausgangsspannung des Oszillators T1- T2 geändert, was durch Änderung der Versorgungsspannung für den Oszillator möglich ist. Dies wird, wie dargestellt, erreicht durch Verbinden eines Potentiometers P1 (1 KOhm) mit den Anschlüssen "sens. Hi", "sens. wipe" und "sens. low". Der 470 Ohm-Widerstand, der mit dem "sens. low" verbunden ist, begrenzt die Einstellung auf einen Bereich von 3 - 1. Ein Schwellen- oder Schwellwerteffekt kann ebenfalls erhalten werden, und zwar durch Änderung der Gleichspannung an dem Anschluß "thresh. wipe". Wenn diese Spannung Null ist, ist die endgültige Ausgangsspannung eine zuverlässige sechsfache Kopie der gleichgerichteten Wechselspannung an dem 0,10 Microfarad Filterkondensator. Wird diese Spannung positiv gewählt, so wird die Ausgangsspannung (die nicht negativ sein kann) von Null nicht ansteigen, solange die gleichgerichtete Spannung nicht über einen Schwellwert ansteigt, und zwar vergleichbar mit der Spannung an dem Anschluß "thresh. wipe" (unten links von der Fig. 5). Dies ist ebenfalls extern bewirkt durch Verbinden eines 1-KOhm-Potentiometers P2 mit den drei "thresh."-Abschlüssen. Der 15 KOhm Widerstand, der mit "thresh. Hi" verbunden ist, begrenzt die Einstellung des Schwellwertes auf einen vernünftigen Bereich.
Zusammenfassend läßt sich somit für die Arbeitsweise der Fig. 5 feststellen, daß das Oszillatorsignal (100 kHz) an sämtliche Elektroden aus dem leitenden Gummi über "drive out" anliegt. Die Amplitude dieses Ansteuer- oder Antriebssignals wird durch das Potentiometer P1 gesteuert, welches an die drei Anschlüsse "sens. Hi", low und wipe (r)" angeschlossen ist. Die zweite Elektrode oder zweiten Elektroden 3 für jede der fünf Sensorzonen sind mit einem der fünf Schaltkreisen verbunden, und zwar über die Eingänge, die mit "Pad 1" bis "Pad 5" bezeichnet sind. Diese Schaltkreise messen den kapazitiven Wechselstrom an jedem Sensor, und zwar durch Umwandeln in eine Wechselspannung an dem 4,7 KOhm Widerstand. Diese Wechselspannung wird dann mit Hilfe der Diode D in eine Gleichspannung umgewandelt, welche anschließend verstärkt und an die Ausgangsbuchsen über die "Pad out"-Anschlüsse oder Leitungen geleitet wird. Jedem dieser Schaltkreise wird weiterhin das inverse, d.h. 180º verschobene Drive-Signal zugeführt. Jeder variable Kondensator wird so eingestellt, bis die beiden Antriebssignale sich aufheben und der kapazitive Strom (und damit die Ausgangsspannung des jeweiligen Systems) möglichst nahe bei Null liegt. Das kleinste Signal, welches ein Ausgangssignal liefert, kann durch das "Schwellwertpotentiometer" eingestellt werden.
Wenn Druck auf die Sensorzone ausgeübt wird, dann wird die Kapazität geändert, der kapazitive Strom steigt an und die Gleichspannung am Ausgang nimmt zu. Wenn der Druck entfernt wird, kehrt das Ausgangssignal auf Null zurück. Ein plötzlicher Schlag erzeugt einen "Impuls" mit einem schnellen Anstieg und Abfall. Figuren 2A - 2C und ein langsamer Druck erzeugt einen proportionalen langsamen Anstieg der Spannung des Ausgangssignals. Diese Art von analogem Ausgangssignal, in der Musikindustrie CV genannt, wie dies vorstehend festgestellt wurde, wird einen Ton- oder Sound-Generator zugeführt, der den CV Input akzeptiert. wobei die Größe der Steuerung des Tones vollständig von den Möglichkeiten des Sound-Generators abhängt.
Die primären Ziel-Sound-Generatoren sind CV Elektronik-Trommel-"Gehirne" oder Steuergeräte, und diese zeigen unterschiedliche Ausgangssignale bzw. Reaktionen, und zwar abhängig von den Charakteristiken ihrer Eingangsschaltkreise. Falls die Eingänge an das "Gehirn" beispielsweise wechselspannungsgekoppelt sind, führen lediglich scharfe Schläge (bei denen der Gleichspannungsausgang eine Wechselspannung simuliert) zu einer Tonerzeugung. Falls jedoch die "Gehirn"-Eingänge gleichspannungsgekoppelt sind, wird jedes Signal, welches einen speziellen Spannungs-Schwellwert übersteigt, zur Erzeugung eines Tones. Es liegt bei diesen Systemen, daß die Trommel gemäß der Erfindung spezielle Effekte produziert, da das System gemäß der Erfindung, anders als herkömmliche piezoelektrische Steuerelemente, eine Spannung proportional zum Druck liefern. Die Aufrechterhaltung oder Beibehaltung des Druckes an einem Pad führt dazu, daß die Ausgangsspannung über einer Schwellwertspannung des "Gehirnes" gehalten wird. Ein bleibender Ton oder ein wiederholtes Triggern eines Tones können erreicht werden. Wenn die Tonhöhe durch die Spannungsamplitude des Eingangssignals modifiziert wird, bewirkt die Fluktuation des Druckes an einem Pad entsprechend der Änderungen der Tönhöhe des Klanges.
Wie vorstehend festgestellt wurde, verwenden bekannte Steuerelemente für elektronische Trommeln (Trommel-Pads) piezoelektrische Kristalle als Transducer bzw. Wandler. Während der Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung kontinuierliche Signale relativ zu einer absoluten Basislinie erzeugt, erzeugen Piezowandler impulsförmige Signale proportional zur Größe der Änderung. Sie erzeugen eine Spannung, wenn sie physikalisch verformt werden, und zwar derart, daß die erzeugte Spannung umso größer ist, je plötzlicher und dramatischer sie gebogen werden. Sobald aber die Verformung gestoppt wird, und selbst dann, wenn sie im gebogenen Zustand gehalten werden, erzeugen diese bekannten Piezowandler keine Spannung und der Ausgang fällt auf Null. Dies ist der Grund dafür, daß sie, anders als die vorliegende Erfindung, nicht in der Lage sind, eine fortlaufende Steuerung zu bewirken, und zwar basierend auf einen Druck, der auf einen anfänglichen Stoß folgt. Da sie weiterhin auf das Maß der Änderung ansprechen, erzeugt eine langsame Verformung nicht ein brauchbares Signal. Aus diesen Gründen sind sie speziell als Wandler für solche Anwendungen geeignet, wo lediglich ein Trigger-Signal erforderlich ist und dieses Signal bei einem signifikanten Stoß oder Schlag erzeugt werden soll, sie sind jedoch nicht geeignet für keybordartige Kontroller, wenn eine anhaltende Sound-Steuerung oder ein anhaltendes Sound-Control gewünscht wird.
Während somit die Vorrichtung gemäß der Erfindung beim Schlagen mit einem Trommelstock eine Ausgangswellenform erzeugt, die derjenigen entspricht, die bei herkömmlichen Kontrollern für elektronische Trommel erzeugt wird, die als Wandler einen Piezokristall verwenden, fährt das System gemäß der Erfindung anders als piezoelektrische Systeme fort, ein Signal proportional zu dem verbleibenden Druck zu erzeugen, um so eine fortgesetzte Kontrolle oder Steuerung des Soundgenerators nach dem anfänglichen Schlag zu ermöglichen. Weiterhin setzt das erfindungsgemäße System weniger abrupte dynamische Kräfte ebenfalls um, die unzureichend wären, um ein brauchbares Ausgangssignal eines piezoelektrischen Systems zu erzeugen.
Der Wandler der Erfindung arbeitet auch mit Synthesizern zusammen, die andere als rhythmische Töne erzeugen und für die Verwendung von CV-Eingangsspannungen (control voltage) konzipiert sind. Mit diesen vervielfacht sich der Bereich von möglichen Effekten, da die Spannung des Eingangs programmiert werden kann, um eine Vielzahl von musikalischen Parametern zu steuern.
Der Schaltkreis der Fig. 5 ist ein kompletter analoger Schaltkreis. Um digitale Signalprozessoren einzuschließen, wird jedes Ausgangssignal entweder vor oder nach der Verstärkung durch einen Analog-Digital-Wandler geleitet. Ein Mikroprozessor oder eine andere bekannte Einrichtung zur Verarbeitung von digitalen Signalen erfaßt oder mißt die resultierenden digitalen Daten oder Werte der Änderungen der Pad-Kapazität über die Zeit und erzeugt entsprechende digitale Steuersignale, und zwar entsprechend vorprogrammierten Regeln oder entsprechend einem vorprogrammierten Progamm (Software).
Es ist auch möglich, das System, wie es beschriebene wurde, zu modifizieren und zwar für die Ausgabe von digitalen Steuersignalen entsprechend MIDI (Musical Instrument Digital Interface) oder anderen Kommunikations-Protokollen oder Normen. Dies ist möglich durch Verarbeitung der Ausgangssignale jedes diskreten Schaltkreises durch einen Analog-Digital- Wandler, um digitale Darstellungen der Änderungen der Sensorkapazität über die Zeit zu erhalten. Ein Mikroprozessor oder ein anderer Schaltkreis zur Verarbeitung von digitalen Signalen verarbeitet dann diese digitalen Darstellungen und liefert entsprechende digitale Steuersignale entsprechend einerm vorprogrammierten logischen Ablauf oder Programm. Zusätzliche Steuereinrichtungen (Schalter, Potentiometer, insbesondere Schiebepotentiometer, Displays, usw.) und geeignete Hard- und Software kann eingeschlossen sein, um den Benutzern die Möglichkeit zu geben, die vorstehend erwähnten vorprogrammierten Regeln der Logik bzw. Programme zu ändern. Andere Protokolle oder Normen sind möglich für die Kommunikationen mit Computern und Robotern. Techniken hierfür sind dem Fachmann wohl bekannt. Andere Möglichkeiten und Einsätze sind auch möglich, und zwar einschließlich unterschiedlicher anderer Formgebungen, unterschiedlicher Arten der Konstruktion, unterschiedlicher Formgebungen der Schlag- oder Druckzonen, unterschiedlicher Anzahl der Schlag- und Druckzonen, verschiedener Versionen abweichend von der flachen Konstruktion, und Versionen optimiert für das Spielen mit der Hand (beispielsweise - Congas) und weniger mit Stöcken oder Mallets bzw. Hämmern.
Ein weiteres Beispiel im Bereich der Musikinstrumente besteht darin, daß die "Sandwich"- Elektrode 1-1'-2-3, die oben beschrieben wurde, in einen Gitarrenaufnehmer (guitar pickguard) mit zwei oder drei schmalen empfindlichen Zonen oder Sensorzonen vorgesehen werden kann, die dann geschlagen oder andersweitig betätigt werden können, um CV-Signale für die Steuerung der Trommelmaschine oder zur Steuerung eines MIDI-Konverters zu erzeugen. Die Elektronik kann in einer Ausnehmung beispielsweise unter dem Griffteil vorgesehen sein.
Eine andere Anwendung dieses Produktes erlaubt die Verwendung von einem oder mehreren "roving pads" 1-1'-2-3, die dann an der Oberfläche der Guitarre an ausgewählten Bereichen vorgesehen sind, und zwar beispielsweise unter dem rechten Arm oder an der Hand des Spielers oder an einem anderen Teil des Guitarrenkörpers, und zwar mit einem geeigneten Befestigungsmechanismus, wobei die vorgesehene Elektronik verwendet wird, um eine Funktion ähnlich der der kapazitiven Pads in dem Pickguard zu erzeugen. Weiterhin kann die Elektronik modifiziert sein, um entweder MIDI-Signale oder andersartig digitalcodierte Informationen zu erzeugen, die dann anschließend dazu verwendet werden, um MIDI- Musikeinrichtungen oder Equipments, Einrichtungen für Guitarreneffekte, Bühnenanlagen usw. zu steuern.
Unterschiedlich geformte Betätigungs-Pads 1-1', unterschiedliche Anzahl von Betätigungs- Pads, unterschiedliche Anordnung dieser Pads an anderen Teilen einer Guitarre und/oder funktionell ähnliche Systeme für unabhängige Befestigung an Guitarren oder an anderen Instrumenten sind möglich.
Falls es erwünscht ist, das System weniger empfindlich zu gestalten, so daß der absolute Druck oder die absolute Einwirkung umgewandelt bzw. übertragen wird, kann eine feste Schicht oberhalb der elastischen kissenartigen Elektrode oder Pad-Elektrode 1-1' verwendet werden. Das trommelartige Instrument kann darüberhinaus die Funktion eines Keybords aufweisen, und zwar mit Effekten, wie sie in dem erwähnten Patent beschrieben sind, wobei das Signal durch Halten des auf die Oberseite einwirkenden Druckes gehalten wird und die Tonhöhe oder die Dynamik oder Tonänderung durch Änderung des Druckes usw. erfolgt.
Wie vorstehend erwähnt, kann die Erfindung für andere Zwecke als für Instrumente verwendet werden, und zwar einschließlich der visuellen oder bildlichen Darstellung von Druckänderungen oder Mustern, beispielsweise mit Hilfe von Druckern oder an Kathodenstrahlröhren; und allgemeiner ist die Erfindung brauchbar als Eingangssensor für Fernbetätigung, Druckmonitoren, beispielsweise bei Ventilen oder dergl. sowie Kontaktsensoren für mobile Fahrzeuge sowie weitere Anwendungen.

Claims

1. Ein Druckempfindlicher oder auf Druck ansprechender kapazitiver Sensor, mit ersten Elektrodenmitteln (1), die von einem dünnen elastischen und leitenden Flachmaterial aus Kunststoff mit benachbarten Bereichen gebildet, die beim Aufbringen eines Drucks auf eine Seite des Flachmaterials druckverformbar sind, sowie mit zweiten Elektrodenmitteln (3), die von diesen durch eine dünne dazwischenliegende dielektrische Schicht (2) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten ersten Elektrodenmittel (1) eine Vielzahl von dicht beabstandeten elastischen und leitenden Vorsprüngen (1') aufweisen, die von der anderen, den Elektrodenmitteln (3) zugewandten Seite des Flachmaterials wegstehen, und daß die erwähnten zweiten Elektrodenmittel (3) sich über den gleichen Bereich wie die Vorsprünge (1) erstrecken.

2. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Vorsprüngen (1) in einer zweidimensionalen Anordnung von dicht beabstandeten Vorsprüngen angeordnet sind.

3. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Niederdrücken der Vorsprünge (1') bei Deformation durch die Anwesenheit der zweiten Elektrodenmittel begrenzt ist, die nicht bewegbar vorgesehen sind.

4. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Vorsprünge (1') im wesentlichen gleichförmig über den Bereich verteilt sind und gekrümmte Oberflächen aufweisen, die deformierbar sind, wenn sie gegen die erwähnten zweiten Elektrodenmittel (3) mit der dazwischenliegenden dielektrischen Schicht (2) gedrückt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenmittel (3) des erwähnten Sensors mit einer Elektronik für das Erfassen der Kapazitätsänderungen verbunden sind, die durch Druckdeformation der ersten Elektrodenmittel (1) erzeugt werden sowie für die Erzeugung von diesen entsprechenden Signalen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronik Signale in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen des Sensors erzeugt, die durch Einwirkungen auf die erwähnte Fläche oder Seite der ersten Elektrodenmittel (1) erzeugt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Elektronik Signale in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen erzeugt, die durch Druck-Flächen- Muster erzeugt werden, die auf die erwähnte Seite der ersten Elektrodenmittel (1) aufgebracht werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die erzeugten Signale in akustische Wiedergaben oder Darstellungen der Druckdeformationen umzuwandeln.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Wiedergaben Töne oder Klänge sind, die durch ein trommelartiges Einwirken und Überstreichen der erwähnten gegenüberliegenden Seite der ersten Elektrodenmittel erzeugt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf die erwähnte gegenüberliegende Seite über ein darüber montiertes Trommelfell (C) aufgebracht wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß weitere ähnliche Sensorbereiche benachbart dem erstgenannten Sensor vorgesehen sind, um in mehrere Zonen unabhängige trommelartige Effektive zu erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die erzeugten Signale in visuelle Darstellungen oder Wiedergaben der Druckdeformationen umzuwandeln.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (1') gewölbt sind oder auf andere Weise eine variable Dicke besitzen oder abgeschrägt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Flachmaterials in der Größenordnung von Millimetern (Zehntel eines Zoll) sind, die Vorsprünge (1') in der Größenordnung von 15 pro Quadratzentimeter (100 pro Quadratzoll) verteilt sind und in der Größenordnung von einem Zehntel eines Millimeters (1/100 eines Zoll) sind, und daß die zweiten Elektrodenmittel (3) und die dielektrische Schicht (2) jeweils in der Größenordnung von 1/100 eines Millimeters gewählt sind.

15. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elektrodenmittel (3) eine Vielzahl von benachbarten Sektorelektroden aufweisen, die mit einer einzigen gemeinsamen ersten elastischen Elektrodeneinrichtung zusammenwirken.

16. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten elastischen Elektrodenmittel (1) eine Vielzahl von getrennte Sektoren bildende elastische Elektroden (6', 6'', ...) aufweisen.

17. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Trennmittel (10) zwischen den elastischen Sektorelektroden vorgesehen sind.

18. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine halbfeste Abdeckschicht (C) über den genannten ersten elastischen Elektrodenmitteln angeordnet ist.

19. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein halbfeste Abdeckschicht (C) über den genannten ersten elastischen Elektrodenmitteln angeordnet ist.

20. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte einzigen elastische Elektrodeneinrichtung aus einem leitenden elastomeren gummiartigen Material besteht, welches in Sektoren eingeteilt ist, die durch Segmente aus einem festen leitenden Gummi voneinander getrennt sind.

21. Ein kapazitiver Sensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten elastischen Elektrodenmittel von einem leitenden elastischen gummiartigen Material gebildet sind.

22. Ein Verfahren zum kapazitiven Druckfühlen, bei welchem eine durch Druck verformbare, dünne, elastische, leitende und von einem Kunststoff-Flachmaterial gebildete Elektrode (1) vorgesehen wird, die durch ein dünnes dielektrisches Medium von einer zweiten Elektrode (3) beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Bereiche einer zweidimensionalen Anordnung, die von dicht beabstandeten Vorsprünge (1') eines leitenden, elastischen Kunststoffmaterials an der Elektrode gebildet ist, dynamisch verformt werden, und zwar in einer vorgegebenen Richtung und in einer vorgegebenen Druckkontur, die einem vorgegebenen Druckmuster, welches sich über eine oder mehrere Bereiche der Anordnung erstreckt, entspricht, wobei jeder Vorsprung (1') durch den ausgeübten Druck verformt wird, daß die Verformung der Vorsprünge (1') an einer an einer festen Position vorgesehenen, sich über den gleichen Bereich erstreckenden und als kapazitive Elektrode wirkende Fläche der erwähnten zweiten Elektrode begrenzt wird, und daß die dynamischen Kapazitätsänderungen, die durch die unter der Druckmuster stehenden Vorsprüngen (1') bewirkt werden, erfaßt werden, um entsprechende elektrische Signale zu erzeugen.

23. Ein Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale während der Deformation in akustische Töne oder Klänge umgewandelt werden.

24. Ein Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale während der Deformation in visuelle Wiedergaben umgewandelt werden.