DE3841243C2

DE3841243C2 -

Info

Publication number: DE3841243C2
Application number: DE19883841243
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Brunner (Fh), 8999 Maierhoefen, De; Ludwig Von Dipl.-Ing. Zech (Fh), 7964 Kisslegg, De
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-07
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1992-11-12
Also published as: DE3841243A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind Meßanordnungen bekannt, welche einzelne Meßzellen aufweisen (DE 25 29 475 A1 und DE 36 42 088 A1). Diese verwandeln einen mechanischen Druck in ein elektrisches Signal über die Veränderung der Kapazität jeder Meßzelle, da durch Krafteinwirkung sich der Abstand von Ober- zur Unterseite jeder als Kondensator wirkenden Meßzelle sich ändert und damit die Kapazität des Kondensators. Bei vielen Meßfällen sind mehrere Sensoren pro cm² erforderlich. Bei einem Abstand von Ober- zur Unterseite im Bereich von 1 bis 2 mm ergeben sich bei Krafteinwirkungen nur minimale Änderungen der Kapazität jeder Meß zelle im Bereich von Bruchteilen von pF (Picofarad).

Es ist ferner eine gattungsgemäße Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches bekannt (EP- 01 72 784 A2).

Von Nachteil bei dieser bekannten Meßanordnung ist die Tatsache, daß ein elastisches Dielektrikum ver wendet wird. Durch Verwendung dieses elastischen Dielektrikums wird der Abstand der beiden Kondensator platten voneinander verändert und hierdurch bedingt, dessen Kapazität. Bei einem Abstand von den beiden Platten im Bereich von 1 bis 2 mm ergeben sich jedoch bei Krafteinwirkungen nur minimale Änderungen der Kapazität jeder Meßzelle im Bereich von Bruchteilen von pF.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Meßanordnung so weiter auszugestalten, daß jede Meßstelle einen erheblich größeren Kapazitätsgrundwert und auch eine größere Änderung der Kapazitätswerte bei Krafteinwirkung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Meß anordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird also kein flexibles und elastisch nachgiebiges Dielektrikum mit all seinen Nachteilen verwendet, sondern statt dessen eine im wesentlichen unelastische dünne Platte oder Beschichtung. Demgegenüber ist bei der Erfindung der sich verjüngende, vorspringende und an seiner Oberfläche elektrisch leitfähige Vorsprung jeder Meßstelle vorgesehen, der bei Krafteinwirkung in Richtung auf das Dielektrikum gedrückt wird und dabei abgeflacht wird, wodurch sich die Kondensator fläche und damit die Kapazität erhöht. Hierbei kann das Dielektrikum in Praxi praktisch beliebig dünn gemacht werden, wobei eine erhebliche Steigerung der Kapazitätswerte und deren Änderung in der Größen ordnung von einigen nF (Nanofarad) erreicht werden kann. Die Erhöhung der Kapazitätsänderung ist gegenüber dem Stand der Technik um den Faktor 100 größer. Die dadurch bedingte Vergrößerung des Störabstandes und die Erhöhung des Meßbereichs liegen als Vorteile auf der Hand.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die sich in Richtung auf das Dielektrikum verjüngenden Vorsprünge nur auf einer Seite angeordnet sein und sowohl Dielektrikum als auch die andere Seite als durchgehende Platte ausgebildet sein, welch letztere insgesamt elektrisch leitend als einzige Gegen elektrode durchgehend elektrisch leitend beschichtet ist, wobei dann jeder Vorsprung elektrisch einzeln bzw. alle Vorsprünge einer Meßzelle einzeln abfrag bar sein sollte. Es ist aber auch möglich, anstelle einer durchgehenden Kontaktierung der die Vorsprünge nicht aufweisenden Seite eine Vielzahl von leitenden, voneinander aber getrennten, die Meßzelle in ihrer Geometrie festlegenden Beschichtung vorzusehen, wobei dann die die Vorsprünge aufweisende Seite auf ihrer Oberseite elektrisch durchgehend beschichtet und insgesamt an einem Pol der Spannungsquelle ange legt werden kann. Natürlich ist es auch möglich, sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite eine gesonderte elektrische Zuleitung für eine Meß zelle vorzusehen. Von besonderem Vorteil sind die Vorsprünge kegel- oder pyramidenstumpfförmig ausge bildet.

In alternativer Ausgestaltung der Erfindung können aber auch mehrere, zueinander parallel verlaufende, sich in Richtung des Dielektrikums verjüngende Rippen auf der einen Seite vorgesehen sein, wobei dann die andere Seite jeder Meßzelle quer zu den Rippen der einen Seite, vorzugsweise rechtwinklig dazu verlaufende Rippen aufweist. Diese Ausbildung läßt sich in einfacher Weise dadurch erhalten, daß auf der einen Seite mehrere parallel zueinander verlaufende, streifenförmige Bereiche mit den Vor sprüngen vorgesehen ist und die andere ebenfalls mehrere, zueinander parallel und quer, vorzugsweise rechtwinklig zu den streifenförmigen Bereichen auf der anderen Seite des Dielektrikums verlaufende, auch elektrisch leitende Streifen unter Bildung in einem Überkreuzungsbereich je einer Meßzelle in Form des Kondensators aufweist. Bei dieser Aus führungsform wird dann jeder streifenförmige Bereich der insgesamt matrixartig angeordneten Meßanordnung für sich an seiner Oberseite elektrisch leitend ausgebildet und mit einem gesonderten elektrischen Anschluß versehen. Dann können bei Auswahl je eines streifenförmigen Bereichs auf der Oberseite und eines solchen, jedoch quer dazu verlaufenden Bereichs auf der Unterseite die im Kreuzungsbereich dieser beiden streifenförmigen Bereiche jeweils liegenden Meßzellen angesteuert werden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiter bildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1a eine erfindungsgemäße Meßzelle einer Meßanordnung, mechanisch unbelastet, im schematischen Querschnitt;

Fig. 1b die Meßzelle gemäß Fig. 1a, im mechanisch belasteten Zustand;

Fig. 1c die Berührungsflächen der Ober seite der Meßzelle auf dem Di elektrikum in schematischer Drauf sicht;

Fig. 1d eine gleiche Ansicht wie gemäß Fig. 1c, jedoch bei dem in Fig. 1b dargestellten Belastungszustand;

Fig. 2 eine Meßzelle in alternativer Ausführungsform;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Meßanordnung mit einer Vielzahl von Meßzellen als Spreng bild;

Fig. 4 eine noch andere Ausführungsform einer Meßzelle als Sprengbild;

Fig. 5 eine noch weitere Ausführungsform einer Meßzelle, als Sprengbild;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer Meßanordnung mit sich matrix artig kreuzenden streifenförmigen Bereichen in schematischer perspektivischer Darstellung;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform für eine Meßanordnung mit einer Vielzahl von Meßzellen, in schematischer Darstellung;

Fig. 8 eine zu jener gemäß Fig. 6 dar gestellten Meßanordnung alternative Ausführungsform in matrixartiger Anordnung, aber mit zueinander parallel verlaufenden Rippen als Vorsprünge, in schematischer perspektivischer Ansicht,

Fig. 9 eine erste Ausführungsform der Rippen der Meßanordnung gemäß Fig. 8, in perspektivischer Darstellung;

Fig. 10 eine zweite Ausführungsform der rippenförmigen Vorsprünge der Meßanordnung gemäß Fig. 8 in perspektivischer Darstellung und

Fig. 11 einen Querschnitt durch die An ordnung gemäß Fig. 9.

Die Meßanordnung 20 (Fig. 3) weist eine Vielzahl von Meßzellen 21 (Fig. 1) auf, die auf ihrer Ober fläche 22 mechanische Drücke aufnimmt und durch jede Meßzelle 21 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Hierbei wird die Oberfläche 22 durch die insgesamt mit 23 bezeichnete Oberseite der Meßanordnung gebildet.

Die prinzipielle Wirkungsweise wird an der Meß zelle gemäß Fig. 1 erklärt. Deren Oberseite 23 weist eine Vielzahl sich in Richtung auf das Dielektrikum 24 sich hin verjüngende Vorsprünge 25 auf, die an ihrer Oberseite elektrisch leitend ausgebildet sind und sich bei Krafteinwirkung elastisch verformen.

Die Unterseite 26 ist beim wiedergegebenen Aus führungsbeispiel als ebene Platte ausgebildet, die insgesamt und deren zumindest an dem Dielektrikum 24 anliegende Fläche elektrisch leitend ausgebildet ist. Die Ober- und Unterseite werden über elektrische Anschlüsse 27 an eine - nicht gezeigte - Spannungs quelle angeschlossen. Fig. 1a sowie 1c zeigen den unbelasteten Zustand der Oberfläche 22 der Oberseite 23, die Fig. 1b sowie 1d den belasteten Zustand, wobei ersichtlich ist, daß im belasteten Zustand die Vorsprünge 25 elastisch verformt sind und auf dem Dielektrikum 24 größere Berührungsflächen 28 als die kleine Berühungsfläche 29 (Fig. 1c) bilden. Hierdurch wird die wirksame Fläche der Meßzelle und damit die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators vergrößert. Die Kapazitätsänderung ist problemlos meßbar.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform. Hier sind die Vorsprünge nicht kegel- oder pyramidenförmig oder -stumpfförmig, sondern noppenförmig ausgebildet. Vorzugsweise bestehen die Vorsprünge aus einem leit fähigen Silikonkautschuk.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Oberseite 23 zumindest im Bereich der Vor sprünge 25 insgesamt an einen elektrischen Anschluß 27 geführt ist. Demgegenüber ist auf der Unterseite 26 mit die Geometrie einer jeden Meßzelle 21 fest legenden, etwa rechteckförmigen Beschichtung ver sehen, die über einen gesonderten Anschluß 31 und schematisch mit 32 bezeichnete elektronische Schalter an den zweiten Anschluß 27 geführt sind, um somit jede Meßzelle einzeln abfragen zu können.

In den Fig. 4 und 5 sind verschiedene Möglichkeiten der Kontaktierung der Oberseite 23 der Ausführungs form gemäß Fig. 1 gezeigt. So kann entweder ein auf das Dielektrikum 24 auf der Seite angebrachtes, sich kreuzendes Netz 33 einer elektrischen Be schichtung oder die einzelnen Meßzellen 21 ein grenzenden rechteckförmig umlaufende Beschichtungen 34 vorgesehen sein, an die elektrische Anschlüsse 27 hingeführt ist, bei einer Meßanordnung, wie sie in Fig. 3 dargestellt und beschrieben ist. Selbst verständlich kann die Meßzelle 21, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, auch in der Ausführungsform gemäß Fig. 7 Einsatz finden.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist auf einer Seite, z.B. der Oberseite mehrere parallel zueinander verlaufende, streifenförmige Bereiche 35 mit den Vorsprüngen auf. Die andere Seite ist mit mehreren, ebenfalls parallel zueinander, jedoch quer, vorzugs weise rechtwinklig zu den streifenförmigen Bereichen 35 verlaufende streifenförmige Bereiche 36 auf der anderen Seite des Dielektrikums 24 vorgesehen, wobei die dem Dielektrikum 24 zugewandten Flächen zumindest an ihrer Oberseite elektrisch leitend ausgebildet sind und an jedem Kreuzungspunkt der Bereiche 35, 36 je eine Meßzelle in Form eines Kondensators ge bildet wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle des Dielektrikums 24 zumindest eine elektrisch leitende Oberfläche eines streifenförmigen Bereichs 35 oder 36 mit einer elektrischen Isolations schicht als Dielektrikum zu versehen.

Anstelle der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten, einzelnen pyramiden- oder kegelstumpfförmig ausge bildeten Vorsprünge ist es bei einer Anordnung von streifenförmigen Bereichen wie bei der Ausführungs form gemäß Fig. 6 auch möglich, die Bereiche mit einer Vielzahl von sich in Richtung auf das Di elektrikum verjüngenden, zueinander parallel verlaufenden Rippen zu versehen. Selbstverständlich kann auch statt mehreren eine einzige Rippe vorhanden sein. Die Bereiche auf der Oberseite sind in Fig. 8 dabei mit 40 bezeichnet, die Bereiche auf der Unterseite mit 41. Die Bereiche 40 mit verschiedenen Ausbildungen von Rippen sind in den Fig. 9 und 10 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Es ist ersicht lich, daß der streifenförmige Bereich 40 auf der Oberseite mit einer Vielzahl, in Längserstreckung der Streifen verlaufende, im Querschnitt dreieck- oder halbkreisförmige Rippen 41 (Fig. 9) bzw. 42 (Fig. 10) aufweist. Hierbei kann, ebenso wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 entweder das Di elektrikum 24 vorgesehen sein, oder aber ohne Di elektrikum zumindest eine Oberfläche der oberen streifenförmigen Bereiche 40 oder der unteren streifenförmigen Bereiche 41 mit einer als Di elektrikum wirkenden elektrischen Isolationsbe schichtung 43 versehen sein. In jedem Fall ergibt sich auch an den Kreuzungsstellen je eine Meßzelle in Form eines elektrischen Kondensators.

Claims

1. Meßanordnung, vorzugsweise in Form einer Plattform (20) flexibler Meßmatten oder einzelner Meßzellen, auf deren Oberfläche (22) einwirkende mechanische Drücke von einzelnen (21) und insbesondere, matrixartig in Zeilen und Spalten angeordneten, einzeln abfragbaren Meßzellen (21) ortsaufgelöst aufgenommen und in ein elektrisches Signal gewandelt werden, wobei jede Meßzelle (21) als seine Kapazität bei Einwirken von mechanischen Drücken ändernder und an eine Spannungsquelle anschließbarer Kondensator mit einer Oberseite (22) zur Aufnahme der Drücke, mit einer Unterseite (26) und mit einem dazwischen angeordneten Dielektrikum (24) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (24) als elektrisch nicht-leitende dünne Platte oder Beschichtung (43) ausgebildet ist, daß die Unter- (26) und/oder die Oberseite (22) jeder Meßzelle (21) zumindest einen sich in Richtung auf das Dielektrikum (24) verjüngenden Vorsprung (25) aufweist, der zumindest auf seiner Oberfläche elektrisch leitend ausgebildet ist und bei Krafteinwirkung unter Anlage an dem Dielektrikum (24) elastisch verformbar ist und dabei die kapazitiv wirksame Fläche der Meßzelle (21) ändert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßzelle (21) eine Vielzahl von Vorsprüngen (25) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (25) kegel- oder pyramidenförmig oder -stumpfförmig oder noppenförmig ausgebildet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vorsprünge (25) aufweisende Unterseite (26) und/oder Oberseite (23) aus leitfähigem Silikonkautschuk besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unter- und/oder Oberseite in der von dem Dielektrikum entfernten Schicht zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit ein Gewebe aus Metallfäden aufweist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Unter- oder die Oberseite mit Vorsprüngen (25) versehen ist und die jeweils andere Ober- bzw. Unterseite als ebene Platte ausgebildet ist, die zumindest teilweise elektrisch leitend ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Platte auf einer ihrer Oberflächen eine elektrisch leitende, die Meßzelle in ihrer Geometrie festlegende Beschichtung (26, Fig. 3) aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Beschichtung rechteckförmig ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Beschichtung über eine gesonderte Leitung (31) an die Spannungsquelle anschließbar ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte, mit Vorsprüngen (25) versehene Ober- und Unterseite (23 bzw. 26) elektrisch leitend ausgebildet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite (z. B. Oberseite 23) mehrere parallel zueinander verlaufende, streifenförmige Bereiche (35) mit Vorsprüngen (25) und die andere Seite (z. B. Unterseite 26) mehrere, ebenfalls parallel zueinander und quer, vorzugsweise rechtwinklig zu den streifenförmigen Bereichen auf der anderen Seite des Dielektrikums (24) verlaufende elektrisch leitende Streifen (36) unter Bildung je einer Meßzelle in Form eines Kondensators an der Kreuzungsstelle aufweist (Fig. 6).

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (25) der einen Seite (z. B. Oberseite) als zumindest eine oder mehrere zueinander parallel verlaufende, sich in Richtung des Dielektrikums (24) verjüngende Rippen (41, 42) aufweist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßzelle (21) auch auf der anderen Seite (z. B. Unterseite) zumindest eine oder mehrere zueinander parallel verlaufende, sich auch in Richtung des Dielektrikums (24) verjüngende Rippen (41, 42) aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen im Querschnitt dreieck- oder halbkreisförmig ausgebildet sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen der Ober- oder Unterseite (23 bzw. 26) im streifenförmigen Bereich (40 bzw. 41) an geordnet sind.