DE8815246U1

DE8815246U1 - Meßanordnung, vorzugsweise in Form einer Meßplattform

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Publication number: DE8815246U1
Application number: DE8815246U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-07
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1990-04-05
Anticipated expiration: 1998-12-08
Also published as: US4986136A

Description

Dipl.-Ingc(FH) Wolfgang Brunner S 13.633 Dipl.-Ing.(FH) Ludwig von Zech

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung, vorzugsweise in Form einer Meßplattform flexibler Meßmatten oder einzelner Meßzellen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Eine solche Meßanordnung ist bekannt (DE-OS

25 29 475 und DE-OS 36 42 088). Die einzelnen Meßzellen dieser Anordnung verwandeln einen mechanischen Druck in ein elektrisches Signal über die Veränderung der Kapazität jeder Meßzelle, da durch Krafteinwirkung sich der Abstand von Ober- zu Unterseite jedes als Kondensator wirkenden Meßzelle.sich 'ändert und damit di.2 Kapazität des Kondensators. Bei vielen Meßfällen

2 sind mehrere Sensoren pro cm erforderlich. Bei einem Absta.«. 1 von Ober- zur Unterseite im Bereich

von 1 bis 2 mm ergeben sich bei Krafteinwirkungen nur minimale Änderungen der Kapazität jeder Meßzelle im Bereich von Bruchteilen von pF (Picofarad).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Meßanordnung so weiterzubilden, daß jede Meßstelle einen erheblich größeren Kapazitätsgrundwert und damit auch größere Änderungen der Kapazitätswerte bei Krafteinwirkung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale in überraschend einfacher Weise gelöst.

Infolge der Tatsache, daß die Unter- Und/öder die

I Oberseite jeder Meßzelle zumindest einen sich in Richtung auf das Dielektrikum des Kondensators verjüngenden zumindest an der Oberfläche elektrisch leitfähigen Vorsprung aufweist, der auch als sich in einer Richtung erstreckende Rippe ausgebildet sein kann, wird bei Krafteinwirkung bewirkt, daß die Vorsprünge gegen das - elektrisch isolierende - Dielektrikum gedrückt, dabei abgeflacht werden. Hierdurch vergrößert sich die Kondensatorfläche und damit die Kapazität, wobei das zwischen der Ober- und der Unterseite angebrachte Dielelektrikum, beispielsweise in Form einer Platte in praxi praktisch beliebig dünn gemacht werden kann, wobei ein erhebliche Steigerung der Kapazitätswerte und deren Änderungen in der Größenordnung von einigen nF (Nanofarad) erreicht werden kann. Zusätzlich verringert

% sich bei Krafteinwirkung der· Abstand der schrägen

sich verjüngenden Flächen zu der gegenüberliegenden

* Seite, wodurch sich eine weitere Erhöhung der

ä Kapazität ergibt. Erste Messungen ergaben eine Er-

höhung der Kapazitätsänderungen um den Faktor

j 100 gegenüber den gattungsgemäCen Sensoren. Die

dadurch bedingte Vergrößerung des Störabstandes und Erhöhung des Meßbereiches sind von besonderem Vorteil.

In bevorzugter AusfUhrungsform der Erfindung können die sich in Richtung auf das Dielektrikum verjüngenden Voriprünge nur auf einer Seite angeordnet sein und

sowohl Dielektrikum als auch die andere Seite als 30

durchgehende Platte ausgebildet sein, welch letztere

insgesamt elektrisch leitend als einzige Gegenelektrode durchgehend elektrisch leitend bescnichtet ist, wobei dann jeder Vorsprung elektrisch einzeln bzw. alle Vorsprünge einer Meßzelle einzeln abfragbar sein sollte* Es ist aber auch möglich, anstelle einer durchgehenden Kontaktierung der die VorsprUnge nicht aufweisenden Seite eine Vielsahl von leitenden,

·· * a** till 4* *»

Voneinander aber getrennten» die Meßzelle in ihrer Geometrie festlegenden Beschichtung vorzusehen,

wobei dann die die Vorsprüflge aufweisende Seite auf ihrer Obefseite elektrisch durchgehend beschichtet g und insgesamt an einem Pol der Spannungsqüelle änge-^ legt werden kann. Natürlich ist es auch möglich, sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite eine gesonderte elektrische Zuleitung für eine Meßzelle vorzusehen. Von besonderem Vorteil sind die &igr;_&Lgr; Vorsprilnge kegel- oder pyramidenstumpf förmig ausgebildet.

In alternativer Ausgestaltung der Erfindung können aber auch mehrere, zueinander parallel verlaufende,

,f. sich in Richtung des Dielektrikums verjüngende Rippen auf der einen Seite vorgesehen sein, wobei dann die andere Seite jeder Meßzell'e quer zu den Rippen der einen Seite, vorzugsweise rechtwinklig dazu verlaufende Rippen aufweist. Diese Ausbildung läßt

_₀ sich in einfacher Weise dadurch erhalten, daß auf der einen Seite mehrere parallel zueinander verlaufende, streifenförmige Bereiche mit den Vorsprüngen vorgesehen ist und die andere ebenfalls mehrere, zueinander parallel und quer, vorzugsweise

_p. rechtwinklig zu den streif enförmigen 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-

_A_ 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 35

eines solchen, jedoch quer dazu verlaufenden Bereichs auf der Unterseite die im Kreuzungsbereich dieser

1 beiden streifenförmigen Bereiche jeweils liegenden MeßZeÜen angesteuert werden.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiter-5 bildung der Erfindung sind in den Unteranspfüchen gekennzeichnet«

Mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung IO näher erläutert: In di^eer zeigt!

15

Figur la

eine erfindungsgemäße Meßzelle einer Meßanordnung, mechanisch unbelastet« im schematischen Querschnitt;

20

Figur Ib

die Meßzelle gemäß Fig. Ia₁ im mechanisch belasteten Zustand;

25

Fiaur Ic

die Berührungsflächen der Oberseite der Meßzelle auf dem Dielektrikum in schematischer Draufsicht;

30

Figur Id

eine gleiche Ansicht wie gemäß Fig. Ic, jedoch bei dem in Fig. Ib dargestellten Belastungszustand;

35

Figur

eine Meßzelle in alternativer Ausführungsform

Figur

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•1 &igr; ··!>>> Il Ii

eine weitere Ausführungsfofm einer Meßanordnung mit einer Vielzahl von Meßzellen« als Sprengbild;

Figur eine noch andere Ausf tihrungsf orm einer Meßzelle als Sprengbild;

Figur eine noch weitere Ausführungsform einer Meßzelle, als Sprengbild;

15 20

Figur

25 eine weitere Ausführungsform einer Meßanordnung mit sich matrixartig kreuzenden · streifenformxgen Bereichen in schematischer perspektivischer Darstellung;

eine weitere AusfÜhrungsform für eine Meßanordnung mit einer Vielzahl von Heßzeiien, in schematischer Darstellung;

30 35

Figur

Figur eine zu jener gemäß Fig. 6 dargestellten Meßanordnung alternative AusfÜhrungsform in matrixartiger Anordnung, aber mit zueinander parallel verlaufenden Rippen als Vorsprünge, in schematischer perspektivischer Ansicht;

eine erste Ausführungsforrn der

• · f Il I I «·««

Rippen der Meßanordnung gemäß

Fig. 8j in perspektivischer Darstellung J

Figur 10 eine zweite Ausführungsform der

rippenförmigen Vorsprünge der Meßanordnung gemäß Fig. 8 in perspektivischer Darstellung

und

Figur 11 einen Querschnitt durch die An-

Ordnung gemäß Fig. 9.

Die Meßanordnung 20 (Fig. 3) weist eine Vielzahl von Meßzeilen 21 (Fig. 1) auf, die auf ihrer Oberfläche 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 Meßzelle 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 Ausführungsbeispiel als ebene Platte ausgebildet, die insgesamt und deren zumindest an dem Dielektrikum 24 anliegende Fläche elektrisch leitend ausgebildet

elektrische

• I · *

• · · t

Anschlüsse 27 an eine - nicht gezeigte - Spannungsquelle angeschlossen. Fig. la sowie Ic zeigen den unbelasteten Zustand der Oberfläche 22 der Oberseite 23, die Fig. Ib sowie Id 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 Berühungsflache 29 (Fig. Ic) bilden. Hierdurch wird die wirksame Fläche der Meßzelle und in damit die Kapazität des dadurch gebildeten Kondensators vergrößert. Die Kapzitätsänderung ist problemlos meßbar.

Fig. 2 zeigt eine alternative AusfUhrungsform. Hier jr sind die Vorsprünge nicht kegel- oder pyramidenförmig oder -stumpfförmig, sonder noppenförmig ausgebildet. Vorzugsweise bestehen die Vorsprünge aus einem leitfähigen Silikonkautschuk.

&ldquor;₀ Bei der AusfUhrungsform 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-

ng legenden, etwa rechteckförmigen Beschichtung versehen, die über einen gesonderten Anschluß 31 und schematisch nit 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 Ausführungsform gemäß Fig. 1 gezeigt. So kann entweder ein auf das Dielektrikum 24 auf der Seite angebrachtes,

&ldquor;_, sich kreuaendeö Netz 33 einer¹ elektrischen Be-

schichtung oder die einzelnen Meßzeilen 21 eingrenzenden fechteckförmig umlaufende Beschichtungen

J· 4* * I«* III &diams;·

&ggr; 34 vorgesehen sein, an die elektrische Anschlüsse 27 hingeführt ist, bei einer Meßanordnung, wie sie in Fig. 3 dargestellt und beschrieben ist. Selbstverständlich kann die Meßzelle 21, wie in den Fig.

g 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 IQ verlaufende, streifenförmige Bereiche 35 mit den Vorsprüngen auf. Die andere Seite ist mit mehreren, ebenfalls parallel zueinander, jedoch quer, vorzugsweise rechtwinklig zu den streifenförmigen Bereichen

35 verlaufende streifenförmige Bereiche 36 auf der je 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-2Q 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 Isolationsschicht als Dielektrikum zu versehen.

Anstelle der in den Fig. 1 bis 7 dargestellten,

einzelnen pyramiden- oder kegelstumpfförmig ausgebildeten Vorsprünge ist es bei einer Anordnung von streifenförmigen Bereichen wie bei der Ausführungs- __o form gemäß Fig. 6 auch möglich, die Bereiche mit einer Vielzahl von sich in Richtung auf das Dielektrikum verjüngenden, zueinander parallel verlaufenden Rippen, Selbstverständlich kann auch statt mehreren eine einzige Rippe vorhanden sein.

&ldquor;e Die Bereiche auf der Oberseite sind in Fig. 8 dabei ob

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 ersichtlich, 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 Dielektrikum 24 vorgesehen sein, oder aber ohne Dielektrikum zumindest eine Oberfläche der oberen streifenförmigen Bereiche 40 oder der unteren streifenförmigen Bereiche 41 mit einer als Dielektrikum wirkenden elektrischen Isolationsbeschichtung A3 versehen sein. In jedem Fall ergibt sich auch an den Kreuzungsstellen je eine Meßzelle in Form eines elektrischen Kondensators.

Claims

ANSPRÜCHE

1. Meßanordnung, vorzugsweise in Form einer Platt form (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 Meßzellc (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 die Unter- (26) und/oder die Oberseite

(22) jeder Meßzelle (21) zumindest einen sich in Richtung auf das Dielektrikum (24) verjüngenden Vorsprung (25) atifweist, der

zumindest auf seiner Oberfläche elektrisch

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leitend ausgebildet ist und bei Kfäfteinwifkurtg elastisch veffofmbaf ist«

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

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

i

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g dadurch gekennzeichnet, d'aß die die Vorsprünge

(25) aufweisende Unterseite (26) und/oder Ober- g

seite (23) aus leitfähigem Silikonkautschuk | besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche &iacgr; bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unter- und/oder Oberseite in der von dem Dielektrikum entfernten

Schicht zur Erhöhung der elektrischen Leitfähig- \ keit ein Gewebe aus Metallfaden aufweist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (24) als Ebene, elektrisch nichtleitende Platte ausgebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet_ä daß nur die Unter— oder

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die Oberseite mit Vorspfüngen (25) versehen ist Und die jeweils andere Ober- bzw₄ Unterseite als ebene Platte ausgebildet ist, die zumindest teilweise elektrisch leitend ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Platte auf einer ihrer Oberflächen eine elektrisch leitende,

ig die Meßzelle in ihrer Geometrie festlegende

Beschichtung (26, Fig. 3) aufweist.

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

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

2g 11· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte, mit Vorsprüngen (25) versehene Ober- und Unterseite (23 bzw. 26) elektrisch leitend ausgebildet ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite (z.B. Oberseite 23) mehrere parallel zueinander

&ldquor;_ verlaufende, streifenförmige Bereiche (35) mit

Vorsprüngen (25) und die andere Seite (z,B. Unterseite 26) sehrere, ebenfalls parallel

zueinander und quer, Vorzügsweise 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).

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, IQ 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.

14. Anordnung nach Anspruch ' 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßzelle (21) auch auf der anderen Seite (z.B. Unterseite) zumindest eine

2Q oder mehrere zueinander parallel verlaufende, sich auch in Richtung des Dielektrikums (24) verjüngende Rippen (41, 42) aufweist.

2g 15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen im Querschnitt dreieck- oder halbkreisförmig ausgebildet sind.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen der Oberoder Unterseite (23 bzw. 26) im streifenförmigen Bereich (40 bzw. 41) angeordnet sind.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16,

Im*

Rippen mit einer gesonderten, elektrisch nichtleitenden, als Dielektrikum (2A) wirkenden Beschichtung (43) versehen sind.