DE102019125653A1 - Sensor for the qualitative and / or quantitative detection of forces and / or pressures - Google Patents
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Abstract
Offenbart wird ein Sensor (1) für die qualitative und/oder quantitative Erfassung von auf dem Sensor (1) lastenden Kräften und/oder Drücken mit• einer mit Kontaktoberflächen jedenfalls teilweise exponiert liegenden, mit zwei elektrischen Polen einer Messstromquelle verbindbaren, einen elektrischen Widerstand aufweisenden Leiterbahnstruktur (3),• einem in einer Nullstellung des Sensors (1) zu den Kontaktoberflächen beabstandeten, eine den Kontaktflächen zugewandte, elektrisch leitend ausgebildete Leitfläche aufweisenden, flexibel verformbaren, flächigen Kontaktelement (5), und• einem aus einem flexibel verformbaren Material gebildeten, auf einer der Leiterbahnstruktur (3) gegenüberliegenden Seite des Kontaktelements (5) angeordneten Druckstück (6), welches eine Andruckfläche aufweist, mit der es den Kontaktoberflächen der Leiterbahnstruktur (3) gegenüberliegt und die sich in einem Querschnittsumfang ausgehend von einer Basis in Richtung des Kontaktelements (5) gesehen verjüngt.Das Druckstück (6) ist dabei angeordnet und eingerichtet, bei auf dem Sensor (1) einwirkender Kraft oder auf dem Sensor (1) lastendem Druck in Richtung des Kontaktelements (5) verlagert zu werden, und das Kontaktelement (5) in Richtung der Kontaktoberflächen der Leiterbahnstruktur (3) zu drücken.Disclosed is a sensor (1) for the qualitative and / or quantitative detection of forces and / or pressures exerted on the sensor (1) with an electrical resistance which is at least partially exposed to contact surfaces and can be connected to two electrical poles of a measurement current source Conductor track structure (3), • a flexible, deformable, flat contact element (5) which is spaced apart from the contact surfaces in a zero position of the sensor (1) and has an electrically conductive conductive surface facing the contact surfaces, and • a flexible, deformable contact element (5), Pressure piece (6) arranged on a side of the contact element (5) opposite the conductor track structure (3), which has a pressure surface with which it faces the contact surfaces of the conductor track structure (3) and which extends in a cross-sectional circumference starting from a base in the direction of the contact element (5) seen tapers. The pressure piece (6) is arranged and set up to be displaced in the direction of the contact element (5) in the event of a force acting on the sensor (1) or pressure exerting on the sensor (1), and the contact element (5) in the direction of the contact surfaces of the To press the conductor track structure (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor für die qualitative und/oder quantitative Erfassung von auf dem Sensor lastenden Kräften und/oder Drücken.The present invention relates to a sensor for the qualitative and / or quantitative detection of forces and / or pressures on the sensor.
In vielen technischen Anwendungen ist es wünschenswert oder gar erforderlich, Kräfte und/oder Drücke wenigstens qualitativ, häufig aber auch quantitativ erfassen bzw. bestimmen zu können. In den entsprechenden Anwendungen kommen hierfür Drucksensoren bzw. Kraftsensoren zum Einsatz, die von ganz unterschiedlicher Gestalt sein können.In many technical applications it is desirable or even necessary to be able to record or determine forces and / or pressures at least qualitatively, but often also quantitatively. In the corresponding applications, pressure sensors or force sensors, which can be of completely different shapes, are used for this purpose.
Die vorliegende Erfindung adressiert hier insbesondere einen Bereich, der zunehmend Bedeutung erlangt, nämlich die Integration von Druck- oder Kraftsensoren in Alltagsgegenstände, bei denen eine auf einer Fläche lastende Kraft beziehungsweise ein Druck erfasst und jedenfalls qualitativ, mit Vorteil aber auch quantitativ bestimmt werden soll. Im Besonderen geht es hierbei um Anwendungen für Druck- oder Kraftmessungen in Gegenständen mit einer flexiblen bzw. elastischen Fläche, auf der die zu bestimmenden oder zu erfassenden Drücke oder Kräfte auflasten. Beispiele hierfür sind in den Innensohlen von Schuhen, insbesondere Sportschuhen, wie Laufschuhen, integrierte Druck- beziehungsweise Kraftsensoren oder derartige Sensoren in Sitzpolstern oder Rückenlehnen von Sitzmöbeln oder dergleichen.The present invention particularly addresses an area that is becoming increasingly important, namely the integration of pressure or force sensors in everyday objects, in which a force or pressure on a surface is to be recorded and determined qualitatively, but advantageously also quantitatively. In particular, it is about applications for pressure or force measurements in objects with a flexible or elastic surface on which the pressures or forces to be determined or recorded are applied. Examples of this are in the insoles of shoes, in particular sports shoes, such as running shoes, integrated pressure or force sensors or such sensors in seat cushions or backrests of seating furniture or the like.
Bei diesen Anwendungen sind Sensoren für die Erfassung von Druck und/oder Kraft gefordert, die einerseits kompakt und insbesondere flach im Aufbau sind, andererseits bevorzugt die Flexibilität des Materials oder Gegenstandes, in den sie integriert werden, nicht vermindern oder ganz aufheben.In these applications, sensors for the detection of pressure and / or force are required which, on the one hand, are compact and, in particular, flat in construction, and, on the other hand, preferably do not reduce or completely eliminate the flexibility of the material or object in which they are integrated.
In derartigen Anwendungsfeldern ist es häufig auch erforderlich auf einer Fläche lastende Kräfte bzw. einen dort anliegenden Druck nicht nur pauschal zu erfassen, sondern räumlich und/oder zeitlich aufgelöst zu bestimmen, sei dies qualitativ, sei dies auch in einer quantitativen Messung. Aus den Ergebnissen der Messungen können dann weitere Informationen gewonnen werden. Zum Beispiel kann dies bei der Erfassung von beim Gehen oder Laufen dynamisch auf einem Fuß einer Person lastenden Kräften, aufgelöst insbesondere auch nach verschiedenen Abschnitten der Fußanatomie, erfolgen. Die Erfassung solcher Kräfte beziehungsweise solcher Drucklasten erlaubt zum Beispiel Aufschlüsse über Fehlstellungen des Bewegungsapparates, kann darüber hinaus auch hilfreich sein im Training eines Sportlers, z.B. für die Verbesserung seines Laufstils.In such fields of application, it is often necessary not only to collectively record forces or a pressure applied there, but also to determine it spatially and / or temporally resolved, be it qualitative, be it also in a quantitative measurement. Further information can then be obtained from the results of the measurements. For example, this can be done when detecting forces that are dynamically on a person's foot when walking or running, resolved in particular also according to different sections of the foot's anatomy. The recording of such forces or such pressure loads allows information about malpositions of the musculoskeletal system, for example, and can also be helpful in training an athlete, e.g. to improve his running style.
Verschiedene Kraft- bzw. Drucksensoren sowie mit diesen gebildete Sensoranordnungen, die eine zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Erfassung von auf der Fläche lastenden Kräften bzw. anliegenden Drücken ermöglichen, sind bereits vorgeschlagen worden.Various force or pressure sensors and sensor arrangements formed with them, which enable a temporally and / or spatially resolved detection of forces or pressures applied to the surface, have already been proposed.
In der
Weiterhin gibt es auf Basis von in Folienform gebildeten, kraft- bzw. druckabhängigen elektrischen Widerständen arbeitende Sensoren, sogenannte Force Sensing Resistors, aufgebaute flächige Sensoranordnungen, die z.B. auch für eine Verwendung für eine Messung von Auflasten in Schuhen (in Innensohlen integriert) vorgeschlagen worden sind. Die grundlegende Funktion der vorstehend benannten Sensoren ist z.B. beschrieben in der
Beispiele für mit einer solchen oder vergleichbaren Sensortechnik ausgestattete Schuhinnensohlen (bzw. Schuheinlegesohlen) sind beschrieben in den
Die in Folienform gebildeten Sensoren nach dem Prinzip der Force Sensing Resistors haben eine entscheidende Schwäche, die bisher einen Masseneinsatz insbesondere für den Privatanwender verhindert hat: Die nach diesem Prinzip gebildeten Sensorzellen sind unbeständig und verändern ihren elektrischen Widerstand teils vorübergehend, teils dauerhaft nach starken mechanischen Belastungen. Eine Reproduzierbarkeit von Messungen ist dadurch nicht gegeben. Wenn eine Sensoranordnung, z.B. in einer Einlegesohle, bspw. fünfzehn einzelne nach dem Prinzip der Force Sensing Resistors arbeitende Sensoren enthält, ist es normal, dass von diesen Sensorzellen vier oder fünf nach Belastung eine dauerhaft veränderte Kennkurve aufweisen, während die weniger belasteten Sensoren unbeschädigt bleiben. Die auf diese Weise verzerrten Messungen sind nicht vertrauenswürdig und die Werte mehrerer der individuellen Sensoren sind nicht miteinander vergleichbar. Nutzer helfen sich damit, dass sie die Sensorfolien der Sensoranordnung nach wenigen Einsatzstunden ersetzen, was das Problem abmildert, aber nicht löst.The sensors made in foil form based on the Force Sensing Resistor principle have a crucial weakness that has hitherto prevented their mass use, especially for private users: The sensor cells formed according to this principle are inconsistent and change their electrical resistance, sometimes temporarily, sometimes permanently after strong mechanical loads . This means that measurements cannot be reproduced. If a sensor arrangement, e.g. in an insole, contains fifteen individual sensors working on the principle of force sensing resistors, it is normal for four or five of these sensor cells to have a permanently changed characteristic curve after loading, while the less loaded sensors remain undamaged . The measurements distorted in this way are not trustworthy and the values of several of the individual sensors cannot be compared with one another. Users help themselves by replacing the sensor foils of the sensor arrangement after a few hours of use, which alleviates the problem, but does not solve it.
Alle derzeitig angebotenen Systeme haben drei entscheidende Schwächen: Sie sind teuer, nur stationär einsetzbar und benötigen intensive Wartung. Damit sind diese Systeme weit entfernt von einem an den Endverbraucher gerichteten Produkt für den Massenmarkt. Weil sie keine hohen Stückzahlen erreichen, sind die sonst bei Elektronikprodukten erwarteten Kostensenkungen unmöglich. Dabei ergibt sich der hohe Preis nicht nur aus der komplizierten Technik und dem relativ hohen Stromverbrauch, sondern auch aus den ständig notwendigen Kalibrierungen sowie dem Ersatz der mit den Sensoren ausgestatteten Teile, z.B. verschlissener Sensorsohlen, bei der zuletzt beschriebenen Technik mit Sensoren auf Basis von Force Sensing Resistors. Für die Kalibration werden speziell geschulte Fachleute gebraucht, was einen Masseneinsatz weiter behindert. So sind z.B. im Ergebnis in Kaufhäusern, Sportvereinen und Arztpraxen weltweit kaum mit einer flächigen Sensoranordnung zur raum- und/oder zeitaufgelösten Kraft- bzw. Druckmessung eingerichteten Einlegesohlen zu finden bzw. im Einsatz. Stattdessen findet man dort für die Zwecke der Erfassung von beim Gehen oder Laufen auftretenden Lasten und Belastungen Laufbänder mit Videokameras und Kistler-Kraftmessplatten eingesetzt, die zwar teuer sind, aber wenigstens wartungsarm.All the systems currently on offer have three decisive weaknesses: They are expensive, can only be used in a stationary manner and require intensive use Maintenance. This means that these systems are far from being a product aimed at the end user for the mass market. Because they do not produce large quantities, the cost reductions otherwise expected for electronic products are impossible. The high price arises not only from the complicated technology and the relatively high power consumption, but also from the constantly necessary calibrations and the replacement of the parts equipped with the sensors, e.g. worn sensor soles, in the case of the technology described last with sensors based on Force Sensing resistors. Specially trained specialists are required for the calibration, which further impedes mass use. As a result, for example, insoles equipped with a flat sensor arrangement for space- and / or time-resolved force or pressure measurement can hardly be found or used worldwide in department stores, sports clubs and medical practices. Instead, treadmills with video cameras and Kistler force plates are used there for the purpose of recording loads and strains that occur when walking or running, which are expensive, but at least require little maintenance.
Eine weitere Sensorkonstruktion gibt die noch unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung
Grundsätzlich hat sich diese Bauform als gut geeignet herausgestellt, was eine kostengünstige Produktion und eine Robustheit der einzelnen Sensoren, was auch die Dauerhaftigkeit der Sensoren im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit ihrer Sensorausgaben bzw. Messwerte betrifft. Allerdings hat sich gezeigt, dass das Ausbilden der leitenden Oberfläche auf den Kontaktelementen, was aus produktionstechnischen Gründen mit einer Beschichtung eines elektrisch leitenden Materials, das fest auf ein aus einem nicht elektrisch leitenden Elastomer gebildetes Trägerelement aufgebracht wird, erfolgt, die so gebildeten einzelnen Sensoren häufig deutlich und für das Einhalten von vorgegebenen Toleranzwerten nicht genügende Abweichungen in ihren elektrischen Sensorkennlinien voneinander aufzeigten. Es war mit anderen Worten nicht möglich, die elektrisch leitende Beschichtung so genau zu reproduzieren, dass die elektrischen Eigenschaften der so gebildeten Kontaktelemente in einem technisch brauchbaren Toleranzfenster stets übereinstimmten. Aufgrund dieser Schwankungen ergaben sich dann Probleme bei der Kalibrierung von mit diesen Sensoren gebildeten Sensoranordnungen, da diese nicht einfach mit vorgegebenen Kennlinien der einzelnen Sensoren arbeiten konnten, da diese Kennlinien sich aufgrund der Abweichungen der elektrischen Leiteigenschaften der Beschichtungen der einzelnen Kontaktelemente von Sensor zu Sensor teilweise deutlich und eben zu stark unterschieden.In principle, this design has proven to be well suited for inexpensive production and robustness of the individual sensors, which also relates to the durability of the sensors with regard to the reproducibility of their sensor outputs or measured values. However, it has been shown that the formation of the conductive surface on the contact elements, which for production-related reasons is done with a coating of an electrically conductive material that is firmly applied to a carrier element made of a non-electrically conductive elastomer, the individual sensors formed in this way often clearly showed deviations from one another in their electrical sensor characteristics that were insufficient for compliance with specified tolerance values. In other words, it was not possible to reproduce the electrically conductive coating so precisely that the electrical properties of the contact elements formed in this way always matched within a technically usable tolerance window. Because of these fluctuations, problems then arose when calibrating sensor arrangements formed with these sensors, since they could not simply work with predetermined characteristics of the individual sensors, since these characteristics partly differ from sensor to sensor due to the deviations in the electrical conductive properties of the coatings of the individual contact elements clearly and just too strongly differentiated.
Die Anwendung von wie eingangs erwähnten Sensoren und etwaigen daraus gebildeten Sensoranordnungen ist dabei, wie schon eingangs erwähnt, allerdings nicht beschränkt auf eine Anordnung in einer Einlegesohle oder Innensohle eines Schuhs und die Erfassung von dynamischen Messwerten dort. Entsprechende Sensoranordnungen lassen sich auch für einen Einsatz in anderen Anwendungen vorstellen, zum Beispiel im Bereich einer Sitzfläche eines Sitzmöbels, um das Sitzverhalten eines Nutzers dynamisch zu erfassen und zu überwachen. In einer solchen Anwendung könnten beispielsweise Warnungen ausgegeben werden, wenn ein Nutzer einer solchen Technologie an einem Arbeitsplatz insgesamt zu lange, zu lange in einer bestimmten Haltung oder aber überhaupt in einer ungesunden Haltung sitzt, um den Anwender damit zu motivieren, seine Sitzposition zu verlassen oder zu verändern, um somit zum Beispiel Rückenschädigungen durch zu langes und falsches Sitzen vorzubeugen.The use of sensors as mentioned at the beginning and any sensor arrangements formed therefrom is, as already mentioned, but not limited to an arrangement in an insole or insole of a shoe and the acquisition of dynamic measured values there. Corresponding sensor arrangements can also be envisaged for use in other applications, for example in the area of a seat surface of a chair, in order to dynamically record and monitor the sitting behavior of a user. In such an application, for example, warnings could be issued if a user of such a technology sits at a workplace for too long, too long in a certain posture or in an unhealthy posture at all, in order to motivate the user to leave his seated position or to prevent back damage from sitting too long or incorrectly, for example.
Vor dem Hintergrund des vorstehenden war es nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor für die qualitative und/oder quantitative Erfassung von auf dem Sensor lastenden Kräften und/oder Drücken anzugeben, der insbesondere vergleichbar wie die Sensoren der in der unveröffentlichten Patentanmeldung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor für die qualitative und/oder quantitative Erfassung von auf dem Sensor lastenden Kräften und/oder Drücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen eines solchen erfindungsgemäßen Sensors sind in den Ansprüchen 2 bis 11 aufgezeigt. In einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung auch in der Angabe einer flächigen Sensoranordnung für die zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Kraft- oder Druckmessung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Sensoranordnung sind in den Ansprüchen 13 bis 15 mit besonderen Merkmalen gegeben.This object is achieved according to the invention by a sensor for the qualitative and / or quantitative detection of forces and / or pressures on the sensor having the features of
Erfindungsgemäß weist der Sensor für die qualitative und/oder quantitative Erfassung von auf dem Sensor lastenden Kräften und/oder Drücken zunächst einmal eine mit Kontaktoberflächen jeweils teilweise exponiert liegende, mit zwei elektrischen Polen einer Messstromquelle verbindbare, einen elektrischen Widerstand aufweisende Leiterbahnstruktur auf. In der Leiterbahnstruktur können insbesondere miteinander in der Leiterbahnstruktur nicht verbundene, jedes mit einem der beiden elektrischen Pole der Messstromquelle verbindbare Äste bzw. Zweige von Leiterbahnen vorgesehen sein, die mit ihren jeweiligen Kontaktoberflächen exponiert liegen.According to the invention, the sensor for the qualitative and / or quantitative detection of forces and / or pressures on the sensor initially has a conductor track structure which is partially exposed with contact surfaces and can be connected to two electrical poles of a measuring current source and has an electrical resistance. In the conductor track structure, in particular, branches or branches of conductor tracks that are not connected to one another in the conductor track structure and can be connected to one of the two electrical poles of the measuring current source can be provided, the respective contact surfaces of which are exposed.
Der Sensor weist ferner ein in einer Nullstellung des Sensors zu den Kontaktoberflächen beanstandetes, eine den Kontaktflächen zugewandte, elektrisch leitend ausgebildete Leitfläche aufweisendes, flexibel verformbares, flächiges Kontaktelement auf. Dieses Kontaktelement kann insbesondere insgesamt leitend gebildet sein, kann aber auch eine leitende Beschichtung oder dergleichen aufweisen. Das Kontaktelement ist insbesondere flächig, mit besonderem Vorteil plan ausgebildet. Es kann zum Beispiel und insbesondere durch eine elastische, elektrisch jedenfalls an einer den Kontaktoberflächen zugewandten Oberfläche, der Leitfläche, leitend gestaltete Folie oder eine solche Membran sein.The sensor also has a flexible, deformable, flat contact element which is spaced apart from the contact surfaces when the sensor is in a zero position and has an electrically conductive conductive surface facing the contact surfaces. This contact element can in particular be made conductive overall, but can also have a conductive coating or the like. The contact element is in particular planar, with particular advantage being designed to be planar. It can be, for example, and in particular by means of an elastic film or a membrane of this type, electrically configured at least on a surface facing the contact surfaces, the conductive surface.
Der erfindungsgemäße Sensor weist weiterhin ein aus einem flexibel verformbaren Material, zum Beispiel einem Elastomer, gebildetes, auf einer der Leiterbahnstruktur gegenüberliegenden Seite des Kontaktelements angeordnetes Druckstück auf, welches eine Andruckfläche aufweist, mit der es den Kontaktoberflächen der Leiterbahnstruktur gegenüberliegt und die sich in einem Querschnittsumfang ausgehend von einer Basis des Druckstücks in Richtung des Kontaktelements gesehen verjüngt. Das Druckstück kann insbesondere mit Vorteil aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet sein. Das Druckstück ist erfindungsgemäß weiterhin angeordnet und eingerichtet, bei auf dem Sensor einwirkender Kraft oder bei auf dem Sensor lastenden Druck in Richtung des Kontaktelements verlagert zu werden und das Kontaktelement in Richtung der Kontaktoberflächen der Leiterbahnstruktur zu drücken.The sensor according to the invention also has a pressure piece formed from a flexibly deformable material, for example an elastomer, arranged on a side of the contact element opposite the conductor track structure, which has a pressure surface with which it faces the contact surfaces of the conductor track structure and which is in a cross-sectional circumference starting from a base of the pressure piece tapered in the direction of the contact element. The pressure piece can in particular advantageously be formed from an electrically non-conductive material. According to the invention, the pressure piece is further arranged and set up to be displaced in the direction of the contact element when a force acts on the sensor or when pressure is applied to the sensor and to press the contact element in the direction of the contact surfaces of the conductor track structure.
Ein solchermaßen gebildeter Sensor weist zwar einen verglichen mit dem in der unveröffentlichten
Der erfindungsgemäße Sensor kann insbesondere auch integriert in einer flächigen Sensoranordnung ausgebildet sein, wobei die Sensoranordnung als feste und zusammenhängende Einheit gebildet ist. So können zum Beispiel mehrere, beispielsweise matrixartig angeordnete, Leiterbahnstrukturen auf einer Leiterplatte aufgebracht sein, die jeweils Bestandteil eines einzelnen und eigenen Sensors sind. Die Kontaktelemente können zum Beispiel auf einer durchgehend gebildeten Folie oder Membran durch entsprechende Beschichtungen ausgebildet sein, wobei die durchgehende Folie oder Membran über zum Beispiel die gesamte Leiterplatte, Beispielseite eine flexible Leiterplatte, gespannt sein kann. Die Druckstücke können wiederum als integrale Bestandteile einer durchgehend gefertigten Einheit, zum Beispiel einer Art Matte, gebildet sein und in ihrer Anordnung entsprechend zu der Anordnung der Leiterbahnanordnungen gesetzt und verteilt sein, sodass sie ebenfalls Bestandteile der einzelnen Sensoren bilden. Auf diese Weise kann aus erfindungsgemäßen Sensoren sehr einfach eine Sensoranordnung, beziehungsweise können mehrere Sensoranordnungen gebildet werden, die dann zum Beispiel in einer ortsaufgelösten und/oder zeitaufgelösten Erfassung von auflastenden Drücken bzw. Kräften eingesetzt werden können, insbesondere mithilfe einer geeigneten Verschaltung der einzelnen in einer solchen Sensoranordnung gebildeten, erfindungsgemäßen Sensoren.The sensor according to the invention can in particular also be designed to be integrated in a flat sensor arrangement, the sensor arrangement being formed as a fixed and cohesive unit. For example, several conductor track structures, for example arranged in a matrix-like manner, can be applied to a circuit board, each of which is part of an individual sensor of its own. The contact elements can be formed, for example, on a continuously formed film or membrane by means of appropriate coatings, wherein the continuous film or membrane can be stretched over, for example, the entire printed circuit board, for example a flexible printed circuit board. The pressure pieces can in turn be formed as integral components of a continuously manufactured unit, for example a type of mat, and their arrangement can be set and distributed in accordance with the arrangement of the conductor track arrangements, so that they also form components of the individual sensors. In this way, a sensor arrangement or several sensor arrangements can be formed very easily from sensors according to the invention, which can then be used, for example, in a spatially resolved and / or time-resolved detection of onerous pressures or forces, in particular with the help of a suitable interconnection of the individual ones in a sensors according to the invention formed in such a sensor arrangement.
Das Druckstück eines erfindungsgemäßen Sensors kann, wie bereits erwähnt, mit Vorteil aus einem Elastomermaterial gebildet sein.As already mentioned, the pressure piece of a sensor according to the invention can advantageously be formed from an elastomer material.
Das Kontaktelement kann insgesamt aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt sein oder aber ebensogut aus einem elektrisch nichtleitenden, auf seiner der Leiterbahnanordnung zugewandten Seite mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet, also mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehenen Element gebildet sein.The contact element can be made entirely of an electrically conductive material or just as well from an electrically non-conductive, coated with an electrically conductive material on its side facing the conductor track arrangement, that is to say formed with an electrically conductive coating.
Die Andruckfläche des Druckstücks kann sich ausgehend von der Basis in Richtung des Kontaktelement jedenfalls in einem Abschnitt konisch verjüngen. Eine solche Ausgestaltung, dies hat sich gezeigt, ergibt eine gute und über einen weiten Messbereich gut auszuwertende Kennkurve des sich verändern Widerstands in Abhängigkeit von einem auflastenden Druck beziehungsweise einer auf dem Sensor lastenden Kraft. Wenngleich eine Nullstellung des Sensors auch so gewählt sein kann, dass das Druckstück in dieser das Kontaktelement bereits berührt, gegebenenfalls das Kontaktelement sogar schon in Richtung der Kontaktflächen der Leiterbahnen spannt und drückt, ist mit Vorteil die Nullstellung so gewählt, dass das Druckstück in einem Zustand des Sensors, bei dem dieser nicht mit einem Druck bzw. mit einer Kraft beaufschlagt ist (also in der Nullstellung) so platziert ist, dass es das Kontaktelement nicht berührt. Dadurch ergibt sich ein maximal hoher Widerstand des Sensors (der Leiterbahnen) bei in Nullstellung befindlichem Sensor.The pressure surface of the pressure piece can in any case taper conically in one section starting from the base in the direction of the contact element. Such a configuration, it has been shown, results in a good characteristic curve, which can be easily evaluated over a wide measuring range, of the changing resistance as a function of a pressure or a force on the sensor. Although a zero position of the sensor can also be selected so that the pressure piece in it already touches the contact element, possibly even tensioning and pushing the contact element in the direction of the contact surfaces of the conductor tracks, the zero position is advantageously selected so that the pressure piece is in a state of the sensor, in which this is not subjected to pressure or force (i.e. in the zero position) is placed in such a way that it does not touch the contact element. This results in a maximum resistance of the sensor (the conductor tracks) when the sensor is in the zero position.
Die Leiterbahnstrukturen können insbesondere durch gegeneinander isolierte Leiterbahnen oder Leiterbahnenabschnitte gebildet sein, von denen eine erste Leiterbahn oder ein erster Leiterbahnabschnitt mit einem ersten Pol einer Messstromquelle verbindbar und eine zweite Leiterbahn oder ein zweiter Leiterbahnabschnitt mit einem zweiten, von dem ersten Pol verschiedenen Pol der Messstromquelle verbindbar ist. Dies kann zum Beispiel in Form von zwei ineinander verschachtelten, gegeneinander elektrisch isolierten Fingerstrukturen als erste und zweite Leiterbahnen gebildet sein. Dabei kann auf die Leiterbahnen, genauer auf deren exponierte Oberfläche, eine Maske aus einem isolierenden Material aufgebracht sein, die eine Formanpassung einer Geometrie der exponiert liegenden Oberfläche Leiterbahnen oder Leiterbahnenabschnitte an eine Querschnittsgeometrie des Druckstück bewirkt. Ist das Druckstück im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig (mit in Richtung der Basis ansteigendem Durchmesser), so kann die Maske einen entsprechend kreisförmig gebildeten Ausschnitt der Leiterbahnen vorgeben, um so die Geometrie des Druckstück abzubilden.The conductor track structures can in particular be formed by mutually insulated conductor tracks or conductor track sections, of which a first conductor track or a first conductor track section can be connected to a first pole of a measuring current source and a second conductor track or a second conductor track section can be connected to a second pole of the measuring current source that is different from the first pole is. This can be formed, for example, in the form of two nested, mutually electrically insulated finger structures as first and second conductor tracks. In this case, a mask made of an insulating material can be applied to the conductor tracks, more precisely on their exposed surface, which causes a shape adaptation of a geometry of the exposed surface conductor tracks or conductor track sections to a cross-sectional geometry of the pressure piece. If the pressure piece is essentially circular in cross section (with a diameter that increases in the direction of the base), the mask can provide a correspondingly circular section of the conductor tracks in order to reproduce the geometry of the pressure piece.
Um sicherzustellen, dass das Kontaktelement in einer Nullstellung einen ausreichenden Abstand zu den Leiterbahnen einhält, ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Kontaktelement an Abstandshaltern festgelegt ist, die für einen entsprechenden Abstand zwischen der Kontaktoberflächen der Leiterbahnstruktur und dem Kontaktelement sorgen. Dies können zum Beispiel wandartige Erhebungen sein, die um die Leiterbahnen herum angeordnet sind, und auf denen das Kontaktelement aufliegt, insbesondere dort festgelegt ist, zum Beispiel durch Verkleben. Erst wenn nun das Druckstück von der der Leiterbahnanordnung gegenüberliegenden Seite auf das Kontaktelement zu bewegt wird und dieses in Richtung der Leiterbahnstrukturen herunterdrückt, wird der elektrische Kontakt gebildet, sinkt also der elektrische Widerstand der Leiterbahnstruktur als ein Maß für den auflastenden Druck bzw. eine anliegende Kraft. Durch die Elastizität des Kontaktelements wird, wenn das Druckstück nach Entfall der anliegenden Kraft oder des anliegenden Drucks zurückfedert auch das Kontaktelement entgegen einer durch die Verformung beim Eindrücken entstehenden Federkraft zurückfedern und in die Ausgangsposition gelangen, in der es die Kontaktoberflächen der Leiterbahnen nicht berührt.In order to ensure that the contact element maintains a sufficient distance from the conductor tracks in a zero position, it is advantageously provided that the contact element is fixed to spacers which ensure a corresponding distance between the contact surfaces of the conductor track structure and the contact element. These can, for example, be wall-like elevations which are arranged around the conductor tracks and on which the contact element rests, in particular is fixed there, for example by gluing. Only when the pressure piece is now moved from the side opposite the conductor track arrangement towards the contact element and presses it down in the direction of the conductor track structures, the electrical contact is formed, i.e. the electrical resistance of the conductor track structure decreases as a measure of the applied pressure or an applied force . Due to the elasticity of the contact element, when the pressure piece springs back after the applied force or pressure has ceased, the contact element will also spring back against a spring force resulting from the deformation when it is pressed in and will return to the starting position in which it does not touch the contact surfaces of the conductor tracks.
Wie bereits erwähnt, ist Bestandteil der Erfindung auch eine flächige Sensoranordnung für die zeitlich und/oder räumlich aufgelöste Kraft- oder Druckmessung mit einer über eine Erfassungsfläche verteilten Anordnung einzelner, wie vorstehend beschrieben ausgebildeter Sensoren und mit einer Steuerung, mit der die Sensoren verschaltet sind. Wie schon vorstehend erwähnt, können die Druckstücke mehrerer Sensoren der Sensoranordnung untereinander in einer Druckstückauflage verbunden sein. Diese Druckstückauflage kann, wie bereits erwähnt, mattenartig gestaltet sein. Auch die Kontaktelemente der Sensoren können auf einer durchgehenden Folie oder Membran oder einem anderen entsprechenden flächigen Element ausgebildet sein. Die Leiterbahnstrukturen können, wie ebenfalls bereits erwähnt, auf einer gemeinsamen Leiterplatte, insbesondere einer flexiblen Leiterplatte, angeordnet sein.As already mentioned, part of the invention is also a flat sensor arrangement for the temporally and / or spatially resolved force or pressure measurement with an arrangement of individual sensors designed as described above and with a controller with which the sensors are connected distributed over a detection area. As already mentioned above, the pressure pieces of several sensors of the sensor arrangement can be connected to one another in a pressure piece support. This pressure piece support can, as already mentioned, be designed like a mat. The contact elements of the sensors can also be formed on a continuous film or membrane or another corresponding flat element. As already mentioned, the conductor track structures can be arranged on a common circuit board, in particular a flexible circuit board.
Mit Vorteil kann die Steuerung der Sensoranordnung eingerichtet sein, Sensorsignale der einzelnen Sensoren in einer vorgegebenen zeitlichen Taktung wiederholt zu erfassen und einer Auswertung zuzuführen. Dies führt zu einer guten zeitlich und/oder räumlich aufgelösten Erfassung von auf der Sensoranordnung lastenden Drücken oder Kräften, sodass hier auch dynamische und/oder räumlich verteilte Vorgänge besser erfasst werden können.The control of the sensor arrangement can advantageously be set up to record sensor signals from the individual sensors repeatedly in a predetermined time cycle and to supply them to an evaluation. This leads to a good temporally and / or spatially resolved detection of pressures or forces on the sensor arrangement, so that dynamic and / or spatially distributed processes can also be better detected here.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
-
1 in drei Ansichten a, b und c eine stark schematisierte Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäß gebildeten Sensors in einer Nullstellung (a), einer Stellung bei mäßiger auflastender Kraft / mäßigem auflastendem Druck (b) und einer Stellung bei hoher auflastender Kraft / hohem auflastendem Druck (c); -
2 eine Aufsicht auf eine aus erfindungsgemäßen Sensoren in erfindungsgemäßer Weise gestaltete Sensoranordnung (ohne die Steuerung); -
3 eine Explosionsdarstellung der Sensoranordnung aus2 ; -
4 in zwei Ansichten, einer Aufsicht (4a) , und einer isometrischen Ansicht (4b) ein erstes Sensorteil eines Sensors der Sensoranordnung; -
5 in drei Ansichten, einer Aufsicht (5a) , einer isometrischen und explodierenden Ansicht (5b) und einem Längsschnitt (5c ) ein zweites Sensorteil eines Sensors der Sensoranordnung; -
6 in drei Ansichten, einer Aufsicht von der Rückseite her (6a) , einer Aufsicht von der Vorderseite her (6b) und einer Seitenansicht (6c ) zwei über Leitungsabschnitte zusammenhängende Leiterplatten mit darauf ausgebildeten ersten Sensorteilen der Sensoranordnung nach2 ; -
7 in drei Ansichten, einer Aufsicht von der Rückseite her (7a) , einer Aufsicht von der Vorderseite her (7b) und einer Seitenansicht (7c ) zwei mattenartig zusammenhängend gebildete Anordnungen mit zweiten Sensorteilen der Sensoranordnung nach2 ; -
8 eine Kennlinie einesSensors nach 1 , wie er in der der Sensoranordnung nach2 eingebunden sein kann; und -
9 in einer schematischen Darstellung eine weitere Anwendungsmöglichkeit einer mit erfindungsgemäßen Sensoren gebildeten erfindungsgemäßen Sensoranordnung für die Bestimmung einer Auflast und Lastverteilung in einer Sitzfläche eines Sitzmöbels, z.B. eine Stuhls.
-
1 in three views a, b and c a highly schematic cross-sectional representation of a sensor formed according to the invention in a zero position (a), a position with a moderate load / moderate load Pressure (b) and a position at high loading force / high loading pressure (c); -
2 a plan view of a sensor arrangement designed from sensors according to the invention in the manner according to the invention (without the controller); -
3rd an exploded view of thesensor assembly 2 ; -
4th in two views, one top view (4a) , and an isometric view (4b) a first sensor part of a sensor of the sensor arrangement; -
5 in three views, one top view (5a) , an isometric and exploding view (5b) and a longitudinal section (5c ) a second sensor part of a sensor of the sensor arrangement; -
6th in three views, a top view from the rear (6a) , a top view from the front (6b) and a side view (6c ) two printed circuit boards connected by line sections with first sensor parts of the sensor arrangement formed thereon2 ; -
7th in three views, a top view from the rear (7a) , a top view from the front (7b) and a side view (7c ) two mat-like interconnected arrangements with second sensor parts of thesensor arrangement 2 ; -
8th a characteristic curve of asensor 1 as shown in thesensor arrangement 2 can be involved; and -
9 in a schematic representation a further possible application of a sensor arrangement according to the invention formed with sensors according to the invention for determining a load and load distribution in a seat surface of a chair, for example a chair.
In den Figuren sind mögliche Ausführungsbeispiele, bzw. sind mögliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors bzw. einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gezeigt. Diese stehen lediglich Beispiele für mögliche Realisierungen der Erfindung dar. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann, wie dem Fachmann deutlich werden wird, auch in abweichenden Gestaltungsformen umgesetzt werden. Gleichwohl werden anhand der Figuren und zu den dort gezeigten Ausführungsbeispielen noch einmal erfindungswesentliche Merkmale aufgezeigt und erläutert, wobei solche Merkmale auch allgemein in abgewandelten Ausgestaltungsformen umgesetzt und einbezogen werden können.In the figures, possible exemplary embodiments or possible embodiments of a sensor according to the invention or a sensor arrangement according to the invention are shown. These are only examples of possible realizations of the invention. The invention is not restricted to these exemplary embodiments, but rather, as will become clear to the person skilled in the art, can also be implemented in different forms. Nonetheless, features essential to the invention are once again shown and explained with reference to the figures and the exemplary embodiments shown there, wherein such features can also be implemented and incorporated in general in modified embodiments.
Der erfindungsgemäß gestaltete, in
Weiterhin ist ein Druckstück
Lastet nun auf dem Sensor
Wird der Druck bzw. wird die Kraft erhöht, so drückt das Druckstück
Wird der auflastende Druck nun vom Sensor
In den Darstellungen der
In
An den Anschlussstecker
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sensoranordnung
In der gezeigten Anordnung sind bei der Sensoranordnung
In
Die Leiterbahnstruktur
Um die Leiterbahnstruktur
In
Das zweite Sensorteil
Das Druckstück
Das Druckstück
Im montierten Zustand des Sensors
Die Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur
Wenn das Druckstück
Die flexiblen Stützen
Wie erwähnt sind die Matten
In einer Anwendung für die Bildung einer mit der Sensoranordnung
Je nach Anwendung kann die Sensoranordnung
In
Im Ausführungsbeispiel ist jedem Sensor
In
Diese Kennlinie steht in direktem Verhältnis zur mechanischen Konstruktion des das Kontaktelement nieder und auf die Leiterbahnstruktur
Die halblineare Kennlinie in
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, z.B. eine wie in den Figuren gezeigte und vorstehend beschriebene Sensoranordnung
- Sohlensensoren auf kapazitiver Basis liefern nur schwache elektrische Signale mit hohem Rauschanteil, die leicht durch Feuchtigkeit in der Messumgebung, z.B. in einem Schuh, oder durch andere Störeinflüsse, wie z.B. bei einer Integration in einer Sohle durch Fußbewegungen, gestört werden können. Im Unterschied dazu liefert die erfindungsgemäße Lösung bei einer Beschaltung der resistiven Sensoren, z.B.
der Sensoren 1 , mit einem üblichen Spannungsteiler vergleichsweise starke Signale im 100mV-Bereich. Dadurch ist es nicht erforderlich, die Zuleitungen abzuschirmen.
- Sole sensors on a capacitive basis deliver only weak electrical signals with a high level of noise, which can easily be disturbed by moisture in the measuring environment, e.g. in a shoe, or by other interfering influences, e.g. when integrated in a sole by foot movements. In contrast to this, the solution according to the invention delivers when the resistive sensors, for example the sensors, are connected
1 , with a common voltage divider, comparatively strong signals in the 100mV range. This means that it is not necessary to shield the supply lines.
Übliche Sensoranordnungen Basis von Folien mit sog. Force Sensing Resistors liefern bei einer Anwendung als Sohlensensoren Signale mit Zitter-Störungen im Frequenzbereich von über 20 Hz, die extra herausgefiltert werden müssen. Die Ursache liegt in den starken Vibrationen beim Laufen, die zu wechselhaften Kontakten der Folie führen. Insbesondere während des Laufens mit einem Sportschuh wird die eingelegte Sensorfolie entsprechend der Fußbewegungen erheblich gekrümmt und verformt. Der Auslöseweg eines Kraftsensors auf Basis eines Force Sensing Resistors beträgt rund 0,01 bis 0,05 mm, d.h. 10-50µm. Entsprechend führt eine Vibration oder ein Stoß mit einer auf den Sensor wirkenden Bewegung von 0,01 bis 0,05mm zu einem Vollausschlag der Sensorik. Der kurze Auslöseweg des Sensors nach Art des vorbekannten Force Sensing Resistors bewirkt eine hohe Resonanzfrequenz von deutlich über 100 Hz, wodurch das Signal/Rauschverhältnis der Messungen verschlechtert wird.Usual sensor arrangements based on foils with so-called force sensing resistors, when used as sole sensors, supply signals with tremors in the frequency range of over 20 Hz, which must be filtered out separately. The cause lies in the strong vibrations when running, which lead to changeable contacts of the film. In particular, when running with a sports shoe, the inserted sensor film is considerably curved and deformed in accordance with the movements of the foot. The release path of a force sensor based on a force sensing resistor is around 0.01 to 0.05 mm, i.e. 10-50 µm. Correspondingly, a vibration or a shock with a movement of 0.01 to 0.05mm acting on the sensor leads to a full deflection of the sensor system. The short triggering path of the sensor in the manner of the previously known force sensing resistor causes a high resonance frequency of well over 100 Hz, which worsens the signal / noise ratio of the measurements.
Im Gegensatz dazu liegt der Federweg, also Auslöseweg bei der erfindungsgemäßen Lösung im Bereich von 0,5mm, das ist 10 bis 50 Mal so viel wie bei den bisher üblichen Sensoren nach Art eines Force Sensing Resistors. Entsprechend führt eine Verformung mit einer auf den erfindungsgemäßen Sensor wirkenden Bewegung von 0,01 bis 0,05 mm nur zu einem Ausschlag von 2-10%, bringt die Messung also nicht durcheinander. Die Resonanzfrequenz liegt deutlich unter 100 Hz und damit außerhalb der für die Messung wichtigen Frequenzbereiche.In contrast to this, the spring travel, that is to say the release travel in the solution according to the invention, is in the range of 0.5 mm, which is 10 to 50 times as much as with the previously customary sensors in the manner of a force sensing resistor. Correspondingly, a deformation with a movement of 0.01 to 0.05 mm acting on the sensor according to the invention only leads to a deflection of 2-10%, so it does not confuse the measurement. The resonance frequency is well below 100 Hz and therefore outside of the frequency ranges that are important for the measurement.
Die erfindungsgemäße Konstruktion der Sensoren stellt sicher, dass sich jedes elektrisch messbare Signal direkt proportional zur Verformung des Druckstücks
Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Konstruktion sichergestellt, dass sich die gemessenen elektrischen Widerstände immer relativ zum Gesamtwiderstand des Kontaktelements verhalten. Ohne Berührung zwischen Kontaktelement und Leiterbahnstruktur kann in einer wie im Ausführungsbeispiel beschriebenen oder einer vergleichbaren Umsetzung mit im Normalzustand getrennten Leiterbahnen in der Leiterbahnstruktur keine elektrische Verbindung an der Leiterbahnstruktur entstehen. Bei maximaler Anlage des Druckstücks und dadurch erhaltenem maximalen Kontakt der Leitfläche des Kontaktelements, also maximaler Auslösung eines Sensors, z.B. eines Sensors
In
Mit dieser in der Sitzfläche
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Sensorsensor
- 22
- LeiterplatteCircuit board
- 33
- LeiterbahnTrack
- 44th
- isolierender Vorsprunginsulating protrusion
- 55
- KontaktelementContact element
- 66th
- DruckstückPressure piece
- 77th
- flexible Stützeflexible support
- 1010
- SensoranordnungSensor arrangement
- 1313th
- AnschlusssteckerConnector
- 1414th
- flexible Leiterplatteflexible circuit board
- 1515th
- erstes Sensorteilfirst sensor part
- 1616
- Stegweb
- 1717th
- flexible Matteflexible mat
- 1818th
- zweites Sensorteilsecond sensor part
- 1919th
- KlebeschichtAdhesive layer
- 2020th
- LeiterbahnstrukturTrack structure
- 2121st
- DruckstückPressure piece
- 2222nd
- elektrisch leitfähige Beschichtungelectrically conductive coating
- 2323
- flexible Stützeflexible support
- 2424
- AussparungRecess
- 2525th
- Maskemask
- 2626th
- SitzflächeSeat
- 2727
- BasisBase
- 2828
- PolsterauflagePadding
- 2929
- SensoranordnungSensor arrangement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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