JP2020046421A - センサシステム用の平面状の力センサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】力センサシステムおよび／または圧力センサシステム用の平面状の力センサユニットである。【解決手段】力センサユニットは、第１および第２の絶縁性の薄膜を有し、薄膜は、相互に重なって配置され、導体路パターンを担持する。導体路パターンの間の弾性に変形可能なスペーサー要素は、導体路パターンを、多数の個別領域に分ける。導体路パターンは、評価回路接続部を有しており、センサユニットの相互に反対の終端部に形成されている。導体路パターンの間の接触接続時に、個別領域において、それぞれ異なる抵抗値が接続部の間に生じる。評価回路のマイクロコントローラは順次連続するクロック周期において、接続部での抵抗値を測定し、格納し、比較器ユニットが現下の抵抗値を、格納されている抵抗値と比較し、格納されている各抵抗値から所定の値ぶん、現下の抵抗値が偏差している場合に、出力信号を出力するように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、センサシステム用の平面状の力センサユニットに関し、これは、第１の絶縁性の薄膜と第２の絶縁性の薄膜を有し、これらの絶縁性の薄膜は、相互に重なって配置されており、自身の向かい合っている面で、第１の導体路パターンと第２の導体路パターンを担持し、これらの導体路パターンの間に弾性に変形可能なスペーサー要素が配置されている。薄膜には、スペーサー要素によって、弾性的に互いに離れるように予負荷が加えられている。これらの薄膜のうちの少なくとも１つに力が作用することによって、第１の導体路パターンと第２の導体路パターンとの間に接触接続が形成される。第１の導体路パターンと第２の導体路パターンのうちの少なくとも１つは、スペーサー要素によって、多数のコンタクト領域に分けられており、ここで、これらの薄膜のうちの１つに力が作用すると、第１の薄膜と第２の薄膜の導体路パターンの間で接触接続が生じる。ここでこれらの導体路パターンは、薄膜上で少なくとも部分的に、抵抗を有するコーティングによって形成されている。これらのコーティングは、所定の電気的なシート抵抗を有している。第１の導体路パターンおよび第２の導体路パターンは、評価回路に接続するための接続部を有しており、評価回路は、位置に関連して、かつ力の作用とスペーサー要素の押しつぶしによって結果として生じる抵抗値の数値に関連して、出力信号を出力する。

圧力または力を感知するセンサシステムは、多くの監視システムにおいて使用されている。例えば、これらのセンサシステムは、自動車等において使用され、運転者がステアリングホイールをしっかり掴んでいるか否か、またはステアリングホイールに手の力が作用しているか否か、または運転者が過労または健康問題によって、ステアリングホイールまたは別の制御要素を放しているか否かを確認する。ここで、例として、ＤＥ１０２０１００３５９４０Ｂ４およびＤＥ１０２０１４００７１６３を参照されたい。同様の圧力感知センサシステムはさらに、例えば事故の場合に、車両座席の占有によってまたは力によって生起される圧力の作用または力の作用が検出または測定されるべき用途に対して一般的に適している。これは、例えば自動車の制御要素または付属要素の行動をトリガすべきである。別の例は、棚システムであって、ここでは、個々の面の占有状態が継続的に監視されるべきである。これらは、多くの適用の可能性のほんの僅かな特別な適用の可能性である。

多くの用途では、この種のセンサシステムは、外側のカバーの下に配置されているので、センサユニットが取り付けられている対象物の外観に影響を及ぼさないようにするために、センサユニットは、自身の主要表面に対して垂直に僅かな厚さしか有していないべきである。カバーは部分的に、相対的に高い機械的な応力下で、その操作が確認されるべき元来の対象物に張り付けられなければいけないので、スペーサー要素の寸法が小さい場合、または過度の圧力の作用または力の作用の場合にも、薄膜の継続した局部的な押しつぶし、ひいては誤操作の危険が生じる。例えば、このことは、革のカバーが設けられており、その下にセンサシステムが配置されている自動車内のステアリングホイールのリムの場合であるが、例えば、車両の座席の占有または他の負荷を確認するために自動車の座席内で使用される座席センサ等の別の適用ケースの場合でも生じる。既知の圧力感知センサでは、座席の覆いを通じた圧力の作用によって、多数の個々のコンタクト要素の少なくとも部分的な誤操作が生起され得る。

温度の影響、経年劣化、部分的な損傷等によっても生起され得るこの種の誤操作は回避可能ではなく、特に多くの場合、一定でもないので、本発明の課題は、センサシステムの出力信号の評価がこの種の作用によって影響されないセンサシステムを実現することである。

上述の課題は、請求項１に記載されている発明によって解決される。

本発明の有利な構成および発展形態は、従属請求項に記載されている。

本発明を以降で、図示されている実施形態に基づいて、より詳細に説明する。

センサユニットの実施形態を使用した、センサシステムの構造の実施形態の、非制限的な例の、相互に引き離されている斜視図である。 図１に示されている実施形態の横断面図である。 導体路パターンの第１の実施形態を伴う薄膜の斜視図である。 図３および４ｂに示されている導体路パターンで使用可能な、平面状に拡がっている導体路パターンを有するセンサユニットの第１の薄膜の実施形態である。 その上にスペーサー要素が配置されているセンサユニットの第２の薄膜の第３の実施形態の平面図である。 拡がっている導体路パターンを有する第１の薄膜の別の実施形態の平面図である。 ストリップ状の導体路パターンを有する第２の薄膜の、図５ａに示された第１の薄膜とともに使用されるべき実施形態の平面図である。 抵抗を有する導体路を介して、相互に直列に接続されている、また並列に接続されている多数の個々の導体路面を伴う第２の薄膜の別の実施形態の平面図である。 車両のステアリングホイールで使用される、図３、図４ｂまたは図５ｂに示されている第２の薄膜を伴う、図４ａおよび図５ａに示されている第１の薄膜に接続されている、図３、図４ａ、図４ｂもしくは図５ａ、図５ｂに示されている１つまたは複数のセンサユニットの使用の実施形態である。 テキスタイルもしくはヘルメットに織り込まれているまたは埋め込まれていてよい多数のセンサユニットの実施形態とその評価である。 図１から図８に示されているセンサユニットに対する評価回路の実施形態である。

図１には、担体部分２０上に配置されているセンサシステムのセンサ部分の斜視図が示されている。これは、ステアリングホイールのリムまたは車両の別の構成部分、衣服部分またはヘルメットの内面、棚システムの載置面または別の表面２４であってよく、この上に、力または圧力が作用し、これが検出および評価されるべきである。

センサ部分の上面は、カバー２３によって覆われていてよく、このカバー２３は例えばステアリングホイールのリムの場合には、外側の革のカバーであり、または車両の座席の場合には、革の覆いであってよく、これは、大きな引っ張り力の作用の下で、ステアリングホイールのリムまたは座席の周りに張り付けられ、縫い合わされている。

カバー２３の下方には、クッション層または絶縁体層２２が位置していてよく、この層は、下部構造の起伏を補償するのに用いられる。

カバー２３またはクッション層２２の下方には、センサユニットの第１の薄膜１が配置されている。この第１の薄膜１は、図１および図２では、自身の下面に、第１の導体路パターン３を有している。図４ａおよび図５ａでは、これは、シート抵抗を有する材料から成る全面的なコーティングであってよいが、以降で、第２の薄膜２に関して記載されるような構造を有していてもよい。

図１および図２において、第１の薄膜１の上方の表面には、熱導体層２１が配置されていてよい。

第１の薄膜１の下には、センサユニットの第２の薄膜２が配置されており、これは、第２の導体路パターン４を担持する。これに対しては、有利な実施形態が、図３、図４ｂ、図５ｂおよび図６において示されている。

導体路パターン３、４の間には、弾性的に押しつぶし可能なスペーサー要素７が配置されており、これは第１の導体路パターン３と、第２の薄膜２の導体路パターン４と、の間に間隙を保持し、力または圧力を作用した場合にのみ、２つの薄膜１、２の導体路パターン３、４の間に接触接続をもたらす。

第２の薄膜２は、有利には、直接的に、担体部分２０上に載置される。担体部分２０は、力または圧力の作用時に、迫台を形成する。

図１には、第２の薄膜２の比較的簡単な導体路パターン４が示されており、これは中央の導体路２４から成り、ここから、直角で、かつ相互に間隔を空けて、別の導体路区間２５が延在する。中央の導体路２４も、別の導体路区間２５も、スペーサー要素７によって、個々の領域に区分され、ここで、力または圧力の作用時に、接触接続が行われる。

第１の、図１の実施形態では左側の、第２の導体路パターン４の中央の導体路２４の終端部には、評価回路用の第１の接続部６が設けられており、以降でこれについてより詳細に説明する。第１の導体路パターン３の導体路３には、この第１の終端部に反対の右側の終端部で、評価回路用の第２の接続部５が設けられている。これは図１において、中央の導体路２４の右側の第２の終端部に相対しているが、力が加えられていない状態では、これとは、スペーサー要素７によって離されている。外側のカバー２３の構造および製造によって生起され得る、この終端部での導体路パターン３、４の継続した押しつぶしの際にも、これによって、上述した終端部の間の領域における、検出されるべき力または圧力の作用のもとで、接続部５および６で、これらの接続部の間の抵抗値の測定可能かつ評価可能な変化が生じる。

図３には、センサユニットの第２の薄膜２の導体路パターン４の実施形態が示されており、これは、センサユニットの２つの異なる領域における信号間の容易な区別を可能にする。ここで、スペーサー要素は図示されていないが、目的に応じて、図１および図４ｂ、図５ｂおよび図６のスペーサー要素７に相当する。このような実施形態では、図１の中央の導体路２４は、評価回路用の各接続部６を伴う、２つの、相互に並列して延在している半部２６、２７に分けられている。直角で、半部２６、２７に対して延在している導体路区間はそれぞれ、自身の長手方向において中断され、極めて狭い幅および湾曲ひいては高い抵抗を有する導体路区間３０によって接続されている。

導体路半部２６、２７も、図１の中央の導体路２４と比べて狭い幅を有している。これによって、著しく拡大された抵抗差が、操作時に、導体路パターンの異なる箇所で生じる。同じ措置が、当然、図１に示されている薄膜２の導体路パターンにおいても適用されてよい。

図３に示されている導体路パターンは、図３に示されている第２の薄膜２の導体路パターンと同様に、図１および図４ａ、図４ｂに示されている全面状の導体路パターン３ともに使用されるだけではなく、図３、図４ｂおよび図５ｂに示されている区分けされた構造を有する、第１の薄膜１の導体路パターンとも使用され得る。ここで、重要な条件は、評価回路用の薄膜１、２の接続部５、６が、各導体路パターンの相互に反対の終端部に配置されている、ということである。

図４ａおよび図４ｂには、センサユニットの第１の薄膜１および第２の薄膜２の別の実施形態が示されている。センサユニットのこのような実施形態では、第１の薄膜１は同様に、導体路パターンを伴う全面状のコーティング３を有しており、これは、測定可能なシート抵抗を有する材料から成る。評価回路の接続のために、第１の薄膜１は、図４ａにおいて左側に、第１の接続部５を有している。

このような第１の薄膜１は、図４ｂに示されている第２の薄膜２とともに使用される。これは同様に、導体路パターン４として、測定可能なシート抵抗を伴う抵抗材料から成る全面状のコーティングを有している。ここで、このようなコーティングの表面にはスペーサー要素７、８が配置されており、これらは、線状に垂直もしくは水平な方向において、図４ｂでは、導電性のコーティング全体にわたって延在している。これによって、導体路パターン３、４の面は多数の領域に分けられ、それらで、１つまたは２つの薄膜１、２に力または圧力が作用すると、導体路パターンを形成するコーティングの間に接触接続が形成され得る。

図４ｂから見て取れるように、第２の薄膜２は、図４ｂの右側で、評価回路との接続のための第２の接続部６を有している。

センサユニットを形成するために、第１の薄膜は次のように、第２の薄膜上に置かれる。すなわち、導電性のコーティングが、センサユニットの内面で相対し、スペーサー要素７、８によって、相互に弾性的に間隔が保持されるように置かれる。ここで、接続部５が接続部６に反対の、センサユニットの縁部上に配置されているように、第２の薄膜上に第１の薄膜が配置される。

スペーサー要素は相対的に僅かな厚さを有しており、弾性的に変形可能であるので、１つまたは２つの薄膜１、２に力または圧力が作用することによって、この力の作用に相当する箇所で、コーティングの間に、接触接続が生起される。これは、自身の位置に関連して、接続部５および６の間で、このようなコンタクト箇所の位置に関連して変化する抵抗を生じさせる。薄膜１、２の相互に反対の縁部に接続部をこのように配置することによって、製造に起因する接触接続の場合でも、または外部の影響によって生起される継続的な接触接続の場合でも、スペーサー要素の間に位置する１つまたは複数の領域において、薄膜の故意の押しつぶしが、別の領域において、接続部５、６の間で測定可能な抵抗の変化を生じさせる。

図５ａおよび図５ｂに示された実施形態では同様に、全面状のコーティング３に接続部５とを備える第１の薄膜１が使用される。しかしここでは、第２の薄膜は、ストリップ４１、４２、４３を備えるストリップ状の導体路パターンを有しており、ストリップ４１、４２、４３の延在に対して横向きに、これらにわたって、スペーサー区間７が配置されている。このスペーサー区間は、導電性のコーティングが相対するように第１の薄膜１を第２の薄膜２の上に載置する際に、力が加えられていない状態でこれらの間に間隙を保持する。分離された導体路ストリップ４１、４２、４３の使用は、第２の薄膜２の右側で、接続部６で、評価回路の複数の入力側との接続を可能にし、これによって、力または圧力の衝撃および接触接続の位置の付加的な解明が得られる。しかし接続部６は相互に接続されてもよく、さらに評価回路が１つの入力側に接続されてもよい。

図６の実施形態では、第２の薄膜２が、多数の、相互に分離されている導体路面５０によってコーティングされている。これは、幅の狭い導体路１０、１１を介して、直列にも並列にも相互に接続されている。導体路１０、１１は、自身の抵抗を上げるために、その延長のために曲げられてよく、または別の方法で延長されていてよい。このような第２の薄膜２が、図４ａおよび図５ａに基づいて記載されたような、全面的にコーティングされた第１の薄膜とともに作用してもよい。

２つの薄膜の接続部５、６が、これらによって形成されているセンサユニットの相互に反対の終端部に配置されているという条件が満たれている限りでは、図５ａ、図５ｂおよび図６に示された実施形態では、第１の薄膜１の全面的にコーティングされた導体路パターンの代わりに、第２の薄膜の記載されている各導体路パターンに相当する導体路パターンを使用することが可能である。

薄膜１、２自体は、エラストマー材料から製造されていてよく、極めて柔軟であり、かつ薄くてよく、例えば０．２〜０．６ｍｍの範囲であってよい。しかし、これは、導体路パターンを形成するコーティングの破れを回避するために、十分に低い延性を有しているべきである。シート抵抗を有するこのようなコーティングは、抵抗ペーストの形態で、厚さ４０〜１００マイクロメートルを有する薄膜上にプリントされていてよい。

１つの薄膜または２つの薄膜上に導体路パターンがプリントされた後に、スペーサー要素も薄膜上にプリントされてよい。スペーサー要素の厚さは、センサユニットの意図した使用に関連して、有利には、０．２５〜０．５５ｍｍの範囲にある。

これによって、極めて柔軟なセンサユニットが得られ、これは曲がった担体構造の周りにも張り付け可能である、または衣服部分に縫い付け可能である。

図７には、このように、第１および第２の薄膜から成るセンサユニット１００を、手の力がステアリングホイールのリムの１０１に作用している、または作用していないという事実を評価するために使用する例が示されている。このために、１つまたは複数のセンサユニット１００がステアリングホイールのリムの１０１の周りに張り付けられ、図１に基づいて記載されたように、さらなる層を挿入して、革のカバーの下に配置される。

センサユニット１００の接続部５、６は、マイクロコントローラを含んでいてよい評価回路１０２の入力側に接続されている。

図７にはさらに、電子ユニットが示されている。この電子ユニットは場合によっては、特定の時間にわたって、ステアリングホイールのリムに力が作用しないと／作用すると、緊急配備をトリガすることができる。このような目的のために、センサユニット１００はステアリングホイール内に組み込まれている場合にはステアリングホイールを介して、このようなステアリングホイールの接続線路とともに、マイクロコントローラ１０２に接続されている。破線で示されているように、センサユニット１００のうちの１つまたは複数が、追加装備可能なステアリングホイールカバーの一部を形成してもよく、これはこの場合には、別個のマイクロコントローラに接続されている。このようなマイクロコントローラ１０２はここで、給電回路１０７を介して給電され、出力信号をトランスポンダ１０４ならびに音響ユニット１０５に出力する。音響ユニットは図５において受話器として示されているが、スピーカーまたは携帯電話を含んでいてよい。不所望な誤警報の場合には、これは、遮断装置１０６を介して遮断されてよい。

トランスポンダ１０４は、無線接続を介して、救助ステーションの別のトランスポンダ１０８に接続されており、この救助ステーションに警報信号が伝達されてよい。警報信号は、マイクロコントローラ１０２が位置特定ユニット１１５に接続されている限りは、車両の位置データも受信することができる。

図８には、多数のセンサユニットを備えるセンサシステムの実施形態が示されている。これは、例えばオートバイ運転者の衣服内に埋め込まれていてよい。図８の下方部分に示されているように、センサユニットは、運転者の下腿もしくは運転者の上半身、さらに付加的にヘルメット内に埋め込まれていてよい。ここでこれらのセンサユニットは別個にマイクロコントローラ１０２に接続されており、事故の場合には、警報を出すだけではなく、既に、事故の程度および運転者の該当する身体領域に関する情報も伝達することができ、これは相互に接続されているトランスポンダ１０４、１０８を介して無線で、アンテナ１１２、１１３を介して伝達されてよい。ここでも、遮断装置１０６が設けられており、これは、誤警報の遮断を可能にする。スペーサー要素が、異なるセンサユニットおよびこの内部で、異なる硬さで形成されていてよく、したがって、センサユニットへの激しい衝撃だけが、接触接続およびここから結果として生じる、各接続部５、６での抵抗変化を生じさせる。

図９では、図７および図８において、簡略化して、マイクロコントローラ１０２として示された評価ユニットがさらに詳細に示されている。図９から見て取れるように、このようなマイクロコントローラ１０２は、センサユニットの接続部５および６に接続されており、別個のメモリユニット１２０を有している、または別個のメモリユニット１２０に接続されている。マイクロコントローラはクロック制御されており、所定の時間間隔で、接続部５、６に現れる抵抗値を評価し、これを１つまたは２つのメモリ１２０に格納する。ここで、抵抗の各現下の測定値が比較器１２１において、先行する、メモリ１２０に格納されている測定値と比較される。格納されている抵抗値に対して所定の値ぶん、現下の抵抗値が変化している場合には、比較器１２１は、出力信号を、トランスポンダ１０４に接続されている線路１２２に出力する。

このようにして、操作されているセンサユニットまたは操作されていいないセンサユニットの各実際の状態が評価されるのではなく、順次連続するクロック周期におけるこのような状態の変化が評価される。

Claims (9)

1. 力センサシステムおよび／または圧力センサシステム用の平面状の力センサユニットであって、
   前記力センサユニットは、第１の絶縁性の薄膜（１）および第２の絶縁性の薄膜（２）を有し、前記絶縁性の薄膜は、相互に重なって配置されており、自身の向かい合っている面で、第１の導体路パターン（３）および第２の導体路パターン（４）を担持し、前記薄膜（１，２）に、弾性的に互いに離れるように予負荷が加えられており、前記薄膜のうちの少なくとも１つに力が作用することによって、前記第１の導体路パターン（３）と前記第２の導体路パターン（４）との間に接触接続が形成されるように、前記導体路パターンの間に弾性に変形可能なスペーサー要素（７）が配置されており、
   前記第１の導体路パターン（３）および前記第２の導体路パターン（４）のうちの少なくとも１つは、前記スペーサー要素（７）によって、多数のコンタクト領域に分けられており、前記薄膜のうちの１つに力が作用すると、前記第１の薄膜および第２の薄膜の前記導体路パターンの間で接触接続が生じ、
   前記導体路パターン（３，４）は、少なくとも部分的に、抵抗を有するコーティングによって形成されており、前記コーティングは、所定の電気的なシート抵抗を有しており、
   前記第１の導体路パターン（３）および前記第２の導体路パターン（４）は、評価回路（１０２）に接続するための接続部（５，６）を有しており、前記評価回路は、位置に関連して、かつ／または、力の作用と前記スペーサー要素の押しつぶしによって生じる抵抗値の数値に関連して、出力信号を出力する平面状の力センサユニットにおいて、
   前記評価回路（１０２）用の前記接続部（５，６）が、少なくとも軸方向において、前記センサユニットの相互に反対の終端部に形成されており、
   前記導体路パターン（３，４）は、前記スペーサー要素によって、多数の部分領域に分けられており、前記部分領域は、前記導体路パターンの間の接触接続時に、１つまたは複数の個別領域において、それぞれ異なる抵抗値を前記評価回路（１０２）の前記接続部（５，６）の間にもたらし、
   前記評価回路は、クロック制御されたマイクロコントローラを有しており、前記マイクロコントローラは、順次連続するクロック周期において、前記接続部（５，６）での前記抵抗値を測定し、メモリユニット（１２０）に格納し、
   比較器ユニット（１２１）が前記マイクロコントローラ（１０２）に接続されており、前記比較器ユニットは、現下の抵抗値を、前記メモリユニット（１２０）に格納されている抵抗値と比較し、各前記格納されている抵抗値から所定の値ぶん、前記現下の抵抗値が偏差している場合に、出力信号（１２２）を出力するように形成されている、
   ことを特徴とする、平面状の力センサユニット。
2. 前記導体路パターンのうちの少なくとも１つ（４）は、個別の面（２８，２９；５０）に分割されており、前記個別の面上に前記スペーサー要素（７）が配置されており、前記個別の面は抵抗を有する接続線路（３０；１０，１１）によって相互に接続されている、
   請求項１記載のセンサユニット。
3. 前記導体路パターン（４）の個別の面（５０）は、抵抗を有する接続部分（１１）を介して相互に直列接続されている個別の面のグループで配置されており、
   前記グループは、自身の側で同様に、抵抗を有している接続部分（１０）を介して相互に接続されている、
   請求項２記載のセンサユニット。
4. 前記導体路パターンは、前記第１の薄膜（１）および／または第２の薄膜（２）を全面的に覆っており、前記スペーサー要素（７）によって、個別領域に分割されており、
   前記スペーサー要素は第１の方向においても、前記第１の方向に対して実質的に垂直な方向においても延在しており、前記全面的なコーティングを、多数の個別領域に分割する、
   請求項１記載のセンサユニット。
5. 前記第１の薄膜（１）および／または前記第２の薄膜（２）は、弾性的な薄膜として形成されており、前記弾性的な薄膜は、自身の長手方向および横方向において延びることが可能である、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサユニット。
6. 前記導体路の個々の領域の継続的な接触接続の場合にも、抵抗変化が測定され、前記接続部（５，６）に生じるように、前記個々の領域が配置されている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサユニット。
7. 前記センサユニットは、ステアリングホイールの革のカバーの下に配置されている、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサユニット。
8. 前記センサユニットは、衣服部分に縫い付けられている、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサユニット。
9. １つまたは複数のセンサユニットは、棚システムの底面に配置されており、前記棚システムの占有状態を求めるように構成されている、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサユニット。