DE69603077T2

DE69603077T2 - Druckbetätigte schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE69603077T2
Application number: DE69603077T
Authority: DE
Inventors: Lester E. Burgess
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2016-04-24
Also published as: EP0823124A1; EP0921544A2; US5695859A; DE69603077D1; EP0921544A3; US6072130A; US5886615A; US5910355A; CA2219092A1; AU719967B2; US5962118A; MX9708185A; AU5570096A; ATE181787T1; WO1996034403A1; EP0823124B1; US5828289A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Erfindungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine druckbetätigte Schaltvorrichtung zum Schließen und Öffnen eines elektrischen Stromkreises, insbesondere auf eine Sicherheitsmatte zum Einschalten und Abschalten einer maschinellen Einrichtung als Reaktion auf das Betreten der Matte durch eine Person.

2. Allgemeiner Stand der Technik

Durch Druckausübung betätigte elektrische Schalter in Form von Matten sind an sich bekannt. Derartige Mattenschalter werden häufig als Bodenmatten in der Nähe von maschinellen Einrichtungen angeordnet, um elektrische Stromkreise zu öffnen oder zu schließen.
Beispielsweise kann man einen Bodenmatten-Schalter, der beim Betreten einen elektrischen Schaltkreis öffnet, als Sicherheitseinrichtung verwenden, um eine Maschine abzuschalten, wenn eine Person in einen gefahrbringenden Bereich in der Nähe der Maschine gerät. Umgekehrt kann der Bodenmattenschalter eingesetzt werden, um einen Schaltkreis zu schließen und eine Maschine nur dann arbeiten zu lassen, wenn die Person sich außerhalb des gefahrbringenden Bereichs befindet. Darüber hinaus kann der Bodenmattenschalter eingesetzt werden, um beim Betreten einen Alarm auszulösen, oder für vergleichbare Funktionen.
Das US-Patent 4,497,989 (Miller) beschreibt einen elektrischen Mattenschalter, der zwei äußere Verschleißschichten besitzt, zwei innenliegende Feuchtigkeitssperrschichten zwischen den beiden äußeren Verschleißschichten sowie eine Trennschicht zwischen den Feuchtigkeitssperrschichten.
Das US-Patent 4,661,664 (Miller) beschreibt einen hochempfindlichen Mattenschalter, der Außenschichten aufweist, ferner eine durchbrochene Abstandsschicht, leitende Schichten zwischen den Außenschichten auf den entgegengesetzten Seiten der Abstandsschicht, die bei Durchbiegung durch die durchbrochene Abstandsschicht hindurch Kontakt herstellen, und eine zusammendrückbare Durchbiegungsschicht zwischen der einen leitenden Schicht und der angrenzenden Außenschicht, wobei die Durchbiegungsschicht zum Hindurchtreten durch die Abstandsschicht federnd zusammendrückbar ist, um den Kontakt zwischen den Leiterschichten herzustellen, wenn die Außenschichten gegeneinander bewegt werden.
US-Patent 4,845,323 (Beggs) beschreibt einen biegsamen Tastschalter zum Feststellen des Vorhandenseins oder Fehlens von Belastung, z. B. durch eine Person in einem Bett.
US-Patent 5,019,950 (Johnson) beschreibt eine zeitgesteuerte Nachtlicht-Kombination, die eine Nachttischlampe einschaltet, wenn eine Person auf eine Matte neben dem Bett tritt, und einen Zeitschalter einschaltet, wenn die Person die Matte verläßt. Der Zeitschalter schaltet die Lampe nach einer vorbestimmten Zeit aus.
US-Patent 5,264,824 (Hour) beschreibt ein tonaussendendes Bodenkontaktsystem.
Derartige Matten üben zweckvolle Funktionen aus, jedoch besteht Bedarf für eine verbesserte Sicherheitsmatte, die nicht nur auf das Vorhandensein einer Kraft anspricht sondern außerdem auf die Höhe und Richtung der einwirkenden Kraft.
Außerdem weisen die heute verwendeten Mattenschalter häufig "tote Zonen" auf. Tote Zonen sind reaktionslose Bereiche, in denen die einwirkende Kraft keine Schaltfunktion auslöst. Beispielsweise ist der Randbreich an der Kante der üblicherweise verwendeten Matten im allgemeinen eine "tote Zone". Im Wirkbereich, in dem ein Schaltvorgang ausgelöst wird, besteht die Gefahr von Funkenbildung, wenn die beiden metallischen Leiterschichten einander berühren. Es wäre von Vorteil, wenn Matten eingesetzt werden könnten, bei denen tote Zonen und Funkenbildung in geringerem Umfang vorkämen oder ausgeschlossen werden könnten.
Aus dem Stande der Technik sind außerdem zusammendrückbare piezoresistive Materialien bekannt, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von dem Ausmaß des Zusammendrückens des Materials verändert. Derartige piezoresistive Mäterialien sind beispielsweise in den US-Patenten 5,060,527, 4,951,985, 4,172,216 und 4,876,419 beschrieben.
Das US-Patent 4,876,419 beschreibt einen zweidimensionalen elektrischen Leiter, der die im Oberbegriff des Anspruchs 1 der Erfindung genannten Eigenschaften aufweist. Der Leiter umfaßt eine erste und eine zweite leitfähige Schicht, zwischen denen ein piezoresistives Element angeordnet ist. In einer Ausführungsform befindet sich ein Abstandselement, das aus Isoliermaterial besteht und eine Vielzahl Öffnungen aufweist, zwischen dem photoresistiven Element und der einen leitfähigen Schicht. Ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden leitfähigen Schichten wird hergestellt, wenn eine Kraft auf das piezoresistive Element ausgeübt wird, das veranlaßt wird, durch die Öffnungen des Abstandsdelements hindurchzutreten, und das auf diese Weise die beiden leitfähigen Schichten elektrisch miteinander verbindet. Das photoresistive Element besteht aus einer tragenden isolierenden Matrix und Partikeln von elektrisch leitfähigem Material, die in Zellen der tragenden Matrix verteilt sind. Die Zellen haben zumindest teilweise größere Abmessungen als die Partikel und bilden somit kleine Lücken. Diese Lücken werden überbrückt, wenn eine Kraft auf das piezoresistive Element ausgeübt wird und dadurch die Leitfähigkeit erhöht wird, indem durch das piezoresistive Element reichende Ketten von Partikeln gebildet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es wird eine druckbetätigte Schaltvorrichtung beschrieben. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine erste und eine zweite leitfähige Schicht auf, eine Schicht von zusammendrückbarem piezoresistivem Material zwischen der ersten und zweiten leitfähigen Schicht und mindestens ein nichtleitendes Abstandselement zwischen dem piezoresistiven Material und mindestens einer der ersten oder zweiten leitfähigen Schicht, welches Abstandselement mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist. Das zusammendrückbare piezoresistive Material stellt einen expandierten Polymerschaum dar, der eine Vielzahl von in einer Polymermatrix verteilten Poren aufweist, welcher Matrix ein Gemisch von leitfähigen Partikeln und leitfähigen Fasern zugesetzt ist. Das zusammendrückbare piezoresistive Material hat im nicht zusammengedrückten Zustand vorzugsweise einen Widerstand von etwa 500 Ohm bis etwa 150.000 Ohm und im zusammengedrückten Zustand einen Widerstand von etwa 200 Ohm bis etwa 500 Ohm. Die erste und die zweite leitfähige Schicht haben jeweils einen Widerstand, der niedriger ist als der Widerstand der piezoresistiven Schicht. Vorzugsweise ist der Widerstand der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht geringer als der halbe Widerstand der piezoresistiven Schicht. Insbesondere beträgt der Widerstand der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht weniger als 10% des Widerstands der piezoresistiven Schicht, und am besten betragen die Widerstände der leitfähigen Schichten weniger als 1% des Widerstands der piezoresistiven Schicht. Diese Widerstände sind in Stromrichtung gemessene Widerstände. Wenn auf das zusammendrückbare piezoresistive Material eine Kraft ausgeübt wird, verlagert es sich durch mindestens einige der Öffnungen des Abstandselements, um elektrischen Kontakt mit der leitfähigen Schicht herzustellen, die durch das Abstandselement in Abstand von ihr gehalten wird. Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt die druckbetätigte Schaltvorrichtung eine auf Scherkräfte ansprechende Nachweiseinrichtung zur Herbeiführung einer elektrischen Kontaktverbin dung zwischen dem piezoresistiven Material und einer Emitter- oder Empfängerelektrode. Insbesondere können bei der Vorrichtung eine erste und eine zweite Empfängerelektrode vorgesehen sein, wobei Kontakt mit der ersten Elektrode hergestellt wird, wenn auf die Vorrichtung eine abwärts gerichtete Kraft ausgeübt wird, und mit der zweiten Elektrode, wenn eine Scherkraft auftritt. Eine derartige Nachweiseinrichtung kann beispielsweise ein Abstandselement aufweisen, das sich beim Auftreten von Scherung oder beim Austreten von der Scherkraft ausgesetztem und in Kontakt mit einer zweiten Empfängerelektrode·tretendem piezoresistiven Material federnd bewegt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit teilweise gekürzten Einzelelementen.
Fig. 1A bzw. 1B sind Ansichten von Querschnitten durch einen Mattenschalter mit segmentierter leitfähiger Schicht in nicht betätigtem bzw. betätigtem Zustand.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Abstandselementanordnung mit teilweise gekürzten Einzelelementen.
Fig. 3A ist ein Querschnitt durch die Schaltvorrichtung mit kornförmigem Abstandshalter.
Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung zum Anzeigen von Scherkräften.
Fig. 7 ist ein Querschnitt der in Fig. 6 wiedergegebenen Ausführungsform bei vertikal wirkender Druckkraft.
Fig. 8 ist ein Querschnitt der in Fig. 6 wiedergegebenen Ausführungsform beim Einwirken einer Scherkraft.
Fig. 9 ist ein Querschnitt durch eine abgeänderte Vorrichtung zur Scherkraftanzeige.
Fig. 10 ist ein Querschnitt der Ausführungsform nach Fig. 9 bei Zuführung von scherend wirkender Druckkraft.
Fig. 15 ist ein Querschnitt, der eine hebelartige Leiste zur Vermeidung einer toten Zone längs des Randes des Mattenschalters zeigt.
Fig. 16 ist eine unter Federwirkung stehende Kupplungseinrichtung zum Vermeiden einer toten Zone längs des Randes von gekoppelten Mattenschaltern.
Fig. 17 ist das Schema eines für die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendbaren elektrischen Schaltkreises.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER (VON) BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)

Die Ausdrücke "isolierend", "leitfähig", "Widerstand" und davon abgeleitete Formen weisen in der vorliegenden Beschreibung, sofern nichts anderes angegeben, auf die elektrischen Eigenschaften der beschriebenen. Materialien hin. Die Ausdrücke "oben", "unten", "über" und "unter" werden in Beziehung zueinander verwendet. Die Ausdrücke "Elastomer" und "elastomer" weisen hier - auf ein Material hin, das eine mindestens 10%ige elastische Verformung erfahren kann. Insbesondere umfassen für die hier angegebenen Zwecke verwendbare "elastomere" Materialien Polymermaterialien wie natürliches und synthetisches Gummi und dergleichen. Der Ausdruck "piezoresistiv" bezeichnet hier ein Material, dessen elektrischer Widerstand abnimmt, wenn eine in Stromrichtung auf das Material einwirkende mechanische Kraft ein Zusammendrücken des Materials herbeiführt. Als derartige piezoresistive Materialien sind speziell federnde zellige Polymerschäume zu nennen, bei denen leitfähige Überzüge die Zellwände bedecken.
"Widerstand" bezieht sich auf die Wirkung, die dem Fluß von elektrischem Strom längs der Strombahn in dem Material entgegengesetzt wird, gemessen in Ohm. Der Widerstand nimmt proportional der Länge der Strombahn und dem spezifischen Widerstand ("Resistivität") des Materials zu und ändert sich umgekehrt proportional zu der Größe der dem Strom zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche. Der spezifische Widerstand ist eine Materialeigenschaft und und läßt sich verstehen als Maß für (Widerstand/Länge)/Fläche. Inbesondere kann der Widerstand bestimmt werden durch die nachstehende Formel: ·
R = ( L)/A (I)
worin R = Widerstand in Ohm
= spezifischer Widerstand in Ohm-inches
L = Länge in inches
A = Fläche in in²
Der in einem Schaltkreis fließende Strom ändert sich proportional der angelegten Spannung und umgekehrt proportional dem Widerstand, wie sich aus dem Ohmschen Gesetz ergibt:
I = V/R (II)
worin I = Stromstärke in Ampere
V = Spannung in Volt
R = Widerstand in Ohm
Typischerweise wird der Widerstand einer ebenen leitfähigen Schicht über die Ebene der Schicht, d. h. von einer Kante zu der gegenüberliegenden Kante, in Einheiten von Ohm/square (Quadrat [von 1 in. Seitenlänge]) gemessen. Für jede vorgegebene Dicke der leitfähigen Schicht bleibt der Widerstandswert über das Quadrat unverändert, unabhängig von der Fläche des Quadrats. Bei Anwendungen, bei denen die Strombahn von der einen Oberfläche der leitenden Schicht zur anderen verläuft, d. h. in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Schicht, wird der Widerstand in Ohm gemessen.
Nach Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße druckbetätigte Schaltmatte 10 aus einer Basis 11 mit darauf befindlicher leitfähiger Schicht 12, einem zusammendrückbaren piezoresistiven Material 14, das zwischen zwei Abstandselementen, d. h. isolierenden Abstandshaltern 13 und 15, angeordnet ist, und einer vorzugsweise elastomeren Deckschicht 17 mit einer leitfähigen Schicht oder Folie 17b an ihrer Unterseite, angrenzend an eines der isolierenden Abstandselemente. Gezeichnet wurden zwei Abstandselemente, nämlich die isolierenden Abstandselemente 13 und 15, es ist aber tatsächlich nur ein Abstandselement erforderlich, während ein zweites Abstandselement entbehrlich ist, aber wahlweise eingefügt werden kann.
Insbesondere besteht die Basis 11 aus einer Schicht eines beständigen Materials, das die Belastungen und Drücke auszuhalten vermag, denen die Sicherheitsmatte im Betrieb ausgesetzt ist. Die Basis 11 kann beispielsweise aus einem Plastik- oder Elastomermaterial bestehen. Ein bevorzugtes Material für die Grundschicht ist eine Thermoplastschicht, etwa aus Polyvinylchlorid (PVC), die vorteilhafterweise an den Rändern mit einer PVC-Deckschicht heißverklebt oder auf andere Weise verbunden sein kann. Die Folie kann beispielsweise 1/8" bis 1/4" (3,2 bis 6,4 mm) stark sein; sie kann eine Prägung oder Riffelung aufweisen. Außerdem kann die Basis 11 entweder steif oder biegsam sein, damit sie unterschiedlichen Arbeitsbedingungen oder Anwendungsfällen angepaßt werden kann.
Die leitfähige Schicht 12 besteht aus einer Metallfolie, die auf die Oberseite der Basis 11 aufgebracht ist. Andererseits kann die leitfähige Schicht 12 auch aus einer mit einer leitfähigen Feinfolie 11 beschichteten Kunststoff-Folie 12 gebildet werden. Diese leitfähige Beschichtung kann auch auf der Basis 11 abgeschieden werden (etwa durch stromlose Abscheidung). Die leitfähige Schicht 12 kann außerdem beispielsweise durch eine Kupfer- oder Aluminiumfolie gebildet werden, die auf die Basis 11 geklebt ist. Vorzugsweise sollte die leitfähige Schicht 12 einen Widerstand besitzen, der niedriger ist als der Widerstand des unten beschriebenen piezoresistiven Materials 14. Typischerweise besitzt die leitfähige Schicht 12 einen Flächenwiderstand oder Widerstand zwischen den Rändern von etwa 0,001 bis 500 Ohm/square. Vorzugsweise beträgt der Widerstand der leitfähigen Schicht 12 weniger als die Hälfte des Widerstands der piezoresistiven Schicht 14. Insbesondere beträgt der Widerstand der leitfähigen Schicht. 12 weniger als 10% des Widerstands der piezoresistiven Schicht 14. Am zweckmäßigsten ist es, wenn der Widerstand der leitfähigen Schicht 12 unter 1% des Widerstands der piezoresistiven Schicht 14 liegt. Ein niedriger relativer Widerstand der leitfähigen Schicht 12 sorgt besser dafür, daß der einzige nennenswerte Widerstand für den Strom beim Durchlaufen der Vorrichtung 10 in dem Teil der Strombahn zu finden ist, der lotrecht zu der Ebene der Schichten verläuft. Die leitfähige Schicht 12 ändert ihren Ort bezüglich der Basis 11 nicht. Demgegenüber ist eine weitere, hierunter beschriebene leitfähige Schicht 17b federnd beweglich, wenn eine Druckkraft ausgeübt wird. Auch die obere leitfähige Schicht 17b hat einen geringen Widerstand im Vergleich zu dem piezoresistiven Material, das sich zwischen der oberen leitfähigen Schicht 17b und der unteren leitfähigen Schicht 12 befindet. Der gemessene Widerstand kennzeichnet somit die vertikale Verlagerung der leitfähigen Schicht 17b und die Komprimierung des piezoresistiven Schaums 14, die ihrerseits in Beziehung zu der auf die Vorrichtung ausgeübten, abwärts gerichteten Kraft steht. Die seitliche Position der abwärts gerichteten Kraft, d. h., ob die Kraft nahe der Mitte der Vorrichtung oder nahe einem der Ränder einwirkt, beeinflußt den gemessenen Widerstand nicht wesentlich.
Die Abstandsschicht 13 wirkt als Abstandsdelement und besteht aus einer Schicht von elektrisch isolierendem Material mit einer Vielzahl Öffnungen 13a, die ein regelmäßiges Muster von gleich oder verschieden großen Öffnungen bilden können oder, wie gezeichnet, eine zufällige Anordnung von verschieden großen Öffnungen darstellen können. Der Abstandshalter 13 ist vorzugsweise verhältnismäßig steif im Vergleich zu der über ihm angeordneten Schaumschicht 14. Der Abstandshalter 13 kann aber auch ein zusammendrückbarer und federnder Polymerschaum sein. Die Abstandshalter liefern eine Ein-Aus-Wirkung. Durch Trennen der Schicht 14 aus piezoresistivem Material von der leitfähigen Schicht 12 verhindert der Abstandshalter 13 einen elektrischen Kontakt zwischen ihnen, wenn auf die Oberseite des Mattenschalters 10 nicht eine abwärts gerichtete Kraft ausreichender Stärke ausgeübt wird. Größe und Ausbildung des Abstandshalters 13 können somit so gewählt werden, daß vorbestimmte Schwellenwerte von Kraft oder Gewicht erreicht werden, unterhalb derer der Mattenschalter 10 nicht ausgelöst wird. Dieses Merkmal steuert ferner die Beziehung zwischen Kraft und Größe des analogen Ausgangs, wenn das piezoresistive Material oder die piezoresistive Anordnung komprimiert wird. Beim Ausüben einer vorbestimmten, ausreichend hohen Kraft wird das piezoresistive Material 14 durch die Öffnungen 13a gedrückt und stellt einen elektrischen Kontakt zu der darunterliegenden leitenden Schicht 12 her. Die vorbestimmte Mindeststärke der zum Betätigen des Schalters ausreichenden Kraft hängt mindestens teilweise von dem Öffnungsdurchmesser, der Dicke von Abstandshalter und Schicht 13 und der Steifigkeit des Abstandshalters 13 ab (ein sehr steifer Abstandshalter erfordert eine höhere Betätigungskraft als ein Abstandshalter geringer Steifigkeit, also ein zusammendrückbarer Abstandshalter). Diese Überlegung gilt für alle hier beschriebenen Schaltvorrichtungen, die mit einem Abstandshalter arbeiten. Typischerweise hat der Abstandshalter 13 eine Dicke von etwa 0,8 mm (1/32 in.) bis etwa 6,4 mm (¹/&sub4; in.). Der Durchmesser der Öffnungen 13a liegt zwischen etwa 1,6 mm (1/16 in.) und etwa 12,7 mm (¹/&sub2; in.). Man kann aber auch andere, für den vorgesehenen Anwendungszweck geeignete kleinere oder größere Abmessungen wählen. Die hier angegebenen Maße dienen nur zur Veranschaulichung eines einzelnen von zahlreichen passenden Größenbereichen.
Bei dem piezoresistiven Material 14 handelt es sich vorzugsweise um einen leitfähigen piezoresistiven Schaum mit einer biegsamen und federnden Folie aus zellularem Polymermaterial, des sen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Höhe des darauf ausgeübten Drucks ändert. Die Dicke des piezoresistiven Schaums 14 kann zwischen 1,6 mm (1/16 in.) und etwa 12,7 mm (¹/&sub2; in.) liegen, jedoch können, falls erforderlich, auch andere Dicken gewählt werden. Ein in dem vorliegenden Gerät einsetzbarer leitfähiger Polymerschaum ist in US-Patent 5,060,527 beschrieben. Weitere leitfähige Schäume sind beschrieben in US-Patent 4,951,985 und 4,172,216.
Im allgemeinen können derartige Schäume mit einem leitfähigen Material beschichtete offenzellige Schäume sein. Beim Ausüben einer Kraft wird der piezoresistive Schaum zusammengedrückt, und der Gesamtwiderstand wird erniedrigt, weil sowohl der spezifische Widerstand als auch die Strombahn verkleinert werden. Beispielsweise kann ein nichtkomprimierter piezoresistiver Schaum einen Widerstand von 100.000 Ohm haben, während sein Widerstand beim Zusammendrücken auf 300 Ohm abnehmen kann.
Ein anderer, im Rahmen der Erfindung anwendbarer leitfähiger piezoresistiver Polymerschaum ist ein zellularer Schaum von eigenleitendem expandierten Polymer (ICEP) mit einem expandierten Polymer mit Premixfüller, bestehend aus leitenden feinverteilten (vorzugsweise kolloidalen) Partikeln und leitenden Fasern. Leitfähige zellulare Schäume weisen typischerweise einen nichtleitenden expandierten Schaum mit über die Zellen verteiltem leitfähigem Überzug auf. Derartige Schäume sind beschränkt auf offenzellige Schäume, damit die inneren Zellen des Schaums den leitfähigen Überzug aufnehmen können.
Ein eigenleitender expandierter Schaum unterscheidet sich von den bislang bekannten expandierten Schäumen insofern als die Schaummatrix selbst leitfähig ist. Die Schwierigkeit der Herstellung eines eigenleitenden expandierten Schaums besteht darin, daß die leitfähigen Füller-Partikel, die zuvor in den nichtexpandierten Schaum gemischt worden waren, sich voneinander entfernen und den Kontakt untereinander verlieren, wenn der Schaum expandiert, wodurch ein offener Kreis entsteht.
Überraschenderweise ermöglicht es die Kombination von leitfähigen feinverteilten Partikeln mit leitfähigen Fasern, daß der leitfähige Füllstoff vor dem Expandieren in das Harz eingemischt werden kann, ohne daß die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit verloren geht, wenn das Harz anschließend expandiert wird. Der leitfähige Füllstoff kann aus einer wirksamen Menge leitfähigen Pulvers in Verbindung mit einer wirksamen Menge leitfähiger Faser bestehen. Unter "wirksamer Menge" ist eine Menge zu verstehen, die ausreicht, die elektrische Leitfähigkeit nach dem Expandieren der Schaummatrix auftechtzuerhalten. Das leitende Pulver kann ein Metallpulver, z. B. von Kupfer, Silber, Nickel, Gold u. dgl., sein oder pulverförmige Kohle, z. B. Ruß, oder Graphitpulver. Die Partikelgröße des leitenden Pulvers liegt typischerweise zwischen etwa 0,01 um und 25 um. Die leitfähigen Fasern können Metallfasern oder vorzugsweise Graphitfasern sein und haben typischerweise eine Länge von etwa 2,5 mm (0,1 in.) bis etwa 13 mm (0,5 in.). Typischerweise beträgt die Menge an leitfähigem Pulver zwischen etwa 15 Gew.-% und etwa 80 Gew.-% der Gesamtmenge. Die leitfähigen Fasern machen typischerweise etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Gesamtansatzes aus.
Zur Herstellung des eigenleitenden Schaums kann man nach dem weiter unten in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren arbeiten. Das in diesem Beispiel genannte Silikonharz ist bei Dow Corning Company unter der Bezeichnung Silikonharz SILASTIC®5370 erhältlich. Das Graphitpigment ist als Asbury Graphite A60 im Handel. Die Graphitfasern sind als Hercules Magnamite Type A-graphite fibers erhältlich. Ein kennzeichnender Vorteil von eigenleitendem Schaum ist, daß er ein geschlossenzelliger Schaum sein kann.

BEISPIEL 1

108 g Silikonharz wurden vermischt mit einem Füllstoff, bestehend aus 40 g Graphitpigment, 0,4 g Rußpigment, 3,0 g Graphitfasern 6,4 mm (1/4 in.). Nachdem der Füllstoff in dem Harz dispergiert war, wurden 6,0 g Schaumkatalysator in der Mischung verrührt. Die Mischung wurde in eine Form gegossen und konnte aufschäumen und gelieren zu einem piezoresistiven elastomeren Polymerschaum mit einem Flächenwiderstand von etwa 50 kOhm/square.
Das fertige Silikonharz kann zur Herabsetzung der Viskosität mit Lösungsmittel, z. B. Methylethylketon, verdünnt werden. Wenn es geschäumt und geliert wird, bildet das Polymer im allgemeinen eine "Haut". Die Haut setzt die Empfindlichkeit der piezoresistiven Schicht herab, weil die Haut im allgemeinen eine höhere Festigkeit besitzt, die durch Zusammendrücken weniger beeinflußt wird. Die Form, in die das vorgschäumte Harz gegossen wird, kann auch eine Gewebeauskleidung erhalten. Nachdem das Harz geschäumt und geliert ist, kann das Gewebe von dem Polymer weggezogen werden, wodurch die Haut beseitigt wird und die Polymerzellen zur Erhöhung der Empfindlichkeit freigelegt werden.
Bei Belastung, d. h. wenn eine mechanische Kraft oder ein mechanischer Druck ausgeübt wird, nimmt der Widerstand eines piezoresistiven Schaums in reproduzierbarer Weise ab. Das heißt, bei wiederholtem Aufbringen einer bestimmten Last ergibt sich durchweg der gleiche Widerstandswert. Es wird ferner angestrebt, daß der zellige Schaum keine oder nur geringfügige Widerstandshysterese zeigt. Das heißt, der bei einem bestimmten Ausmaß der Komprimierungsverformung gemessene Widerstand des leitfähigen Schaums, unabhängig davon ob er beim Zusammendrücken oder beim Entlasten gemessen wird, ist praktisch derselbe.
Die Schicht 14 von piezoresistivem Schaum ermöglicht vorteilhafterweise ein Schalten der Vorrichtung ohne Funkenbildung, was ein höheres Maß an Sicherheit in einer Umgebung mit brennbaren Gasen oder Dämpfen bedeutet.
An den piezoresistiven Schaum 14 angrenzend befindet sich ein weiterer Abstandshalter 15 mit Öffnungen 15a. Der Abstandshalter 15 stimmt vorzugsweise genau überein mit dem Abstandshalter 13. Andererseits läßt sich der Abstandshalter 15 auch in der Weise abändern, daß er sich von dem Abstandshalter 13 in der Dicke oder in der Form und den Abmessungen der Öffnungen 13a unterscheidet.
Die Schaltvorrichtung 10 weist eine Abdeckung 17 mit einer vorzugsweise federnden nichtleitenden Schicht 17a, die aber auch steif sein kann, und einer leitfähigen Schicht 17b auf. Die obigen Hinweise hinsichtlich des zu vernachlässigenden spezifischen Widerstands der leitfähigen Schicht 12 gegenüber dem des piezoresistiven Schaums gelten auch für die leitfähige Schicht 17b. Die leitfähige Schicht 17b kann auf der oberen nichtleitenden Schicht 17a so abgeschieden werden, daß sich eine federnde untere leitfähige Fläche ergibt. Die abgeschiedene Schicht 17b kann ebenfalls aus einem polymeren Elastomer oder Überzug bestehen, der Füllstoff, wie etwa feines Metallpulver oder feinen Kohlenstaub, enthält, um ihm Leitfähigkeit zu verleihen. Eine für den Erfindungszweck brauchbare leitfähige Schicht ist in dem US-Patent 5,069,527 beschrieben, auf das ausdrücklich Bezug genommen wird.
Eine leitfähige Elastomerschicht 17b kann mit dem oben im Zusammenhang mit dem eigenleitenden expandierten Polymerschaum angegebenen leitfähigen Pulver und den leitfähigen Fasern hergestellt werden, abgesehen davon, daß die Polymermatrix für die leitfähige Schicht 17b nicht zellular zu sein braucht. Vorzugsweise wird als Matrix ein Silikon-Elastomer verwendet, wie es in Beispiel 2 beschrieben ist.

BEISPIEL 2

Ein leitfähiger Füllstoff wurde hergestellt aus 60 g Graphitpigment (Asbury Graphite A60), 0,4 g Ruß (Shawingigan Black A), 5,0 g Graphitfasern 6,2 mm (1/4") (Hercules Magnamite Type A). Dieser Füllstoff wurde dispergiert in 108,0 g Silikon-Elastomer (SLYGARD®182 silicone elastomer resin). Dann wurde ein Katalysator zugesetzt, und das Gemisch wurde in eine Form gegossen, in der es erhärten konnte. Das Ergebnis war eine elastomere Silikonfolie mit einem Flächenwiderstand von etwa 10 Ohm/square. Die Deckschicht 17 kann auch biegsam sein, ohne Elastomereigenschaften zu besitzen und kann bestehen aus einer Folie von metallisiertem Polymer, etwa aluminierter MYLAR Polymerfolie, wobei der Aluminiumüberzug die leitfähige Schicht 17b bildet. In einer anderen Ausführung kann die Deckschicht 17 aus einer oberen Schicht 17a von flexiblem Polymerharz, elastomer oder auch nur biegsam, und einer zusammenhängenden Schicht 17b aus Metallfolie gebildet sein. Die obere Schicht 17a ist vorzugsweise eine Folie aus Weich-PVC, die auf eine PVC-Basis 11 heißgesiegelt oder auf andere Weise (z. B. durch Lösungsschweißen) aufgebracht werden kann. Der Vorteil bei der Verwendung einer zusammenhängenden Folienschicht ist die höhere spezifische Leitfähigkeit der Metallfolie im Vergleich zu Polymeren, die durch Beimischung von leitfähigen Komponenten leitend gemacht sind.
Die erwähnten Schichten werden gemäß Fig. 1 zusammengesetzt, wobei Leiterdrähte 18a bzw. 18b einzeln an die leitfähigen Schichten 12 bzw. 17b geführt sind. Die Drähte 18a und 18b führen zu einer (nicht gezeichneten) Stromquelle und bilden einen Teil eines elektrischen Schaltkreises.
Nach den Fig. 1A und 1B kann die leitfähige Schicht 17b in einem modifizierten Aufbau zusammengesetzt sein aus einem leit fähigen polymeren Elastomer, das auf eine segmentierte oder faltige Metallfolie geschweißt ist, wobei die Folie an den Abstandshalter 15a angrenzt oder, wie nach den Fig. 1A und 1B, an die piezoresistive Schicht 14. Schlitze in der segmentierten Folie (oder Falten in der Faltenfolie) ermöglichen eine elastomere Reckung der leitfähigen Schicht 17b, während über den größten Teil der leitfähigen Schicht 17b die hohe Leitfähigkeit von Metall geboten wird.
Fig. 1A zeigt einen Mattenschalter 10a, bei dem eine leitfähige Schicht 17b auf eine elastomere nichtleitende Deckschicht 17a geschweißt ist. Die leitfähige Schicht 17b umfaßt eine leitfähige Elastomerschicht 17c, auf deren Unterseite eine segmentierte, mit Schlitzen 17e versehene Schicht von Metallfolie 17d geschweißt ist. Das piezoresistive Material 14 steht in Kontakt mit der segmentierten Folie und liegt über dem Abstandshalter 13. Wie in Fig. 1B dargestellt, biegen die Elastomerschichten 17a und 17b sich federnd nach unten durch und dehnen sich in Seitenrichtung, wenn eine nach unten gerichtete Kraft F ausgeübt wird. Das piezoresistive Material 14 wird dabei abwärts durch Öffnungen 13a in dem Abstandshalter gedrückt und in Kontakt mit der leitfähigen Schicht 12 auf der Basis gebracht. Die durch Schlitze 17e in der Metallfolie 17d gebildeten Zwischenräume öffnen sich ein wenig weiter. Der elektrische Strom tritt durch diese Zwischenräume durch die elastomere leitfähige Schicht 17c. Da die Zwischenräume sich erweitern, wenn die Elastomerschicht 17c gereckt wird, nimmt der Gesamtwiderstand der Schicht durch die leitfähige Schicht 17b etwas zu, wenn die Vorrichtung betätigt wird. Da jedoch die Leitfähigkeit der Foliensegmente viel größer ist als die des elastomeren Leiters 17c, ist die Gesamtleitfähigkeit der elastomeren leitfähigen Schicht 17b annähernd gleich derjenigen der obenerwähnten Ausführung mit zusammenhängender Folie, zugleich bleibt aber die Federwirkung erhalten.
Bei einer weiteren abgeänderten Ausführungsform kann der Abstandshalter kombiniert werden mit einem Sieb oder Gitter, das ein Geflecht von Drähten oder Fäden aufweist. Wahlweise können einzelne Blätter Isoliermaterial, die ein Lochmuster aufweisen, als Ersatz für ein Faden- oder Drahtgitter verwendet werden. Beispielweise zeigt gemäß Fig. 3 eine Abstandshalterelement-Anordnung 19 eine Kombination aus einem weitmaschigen Abstandshalter 19c, der zwischen zwei isolierende Gitterflächen 19a und 19b gelegt ist. Die Öffnungen 19d in dem Abstandshalter 19c haben, verglichen mit den Gitterflächenöffnungen, verhältnismäßig großen Durchmesser; sie können nach Größe und Anordnung unregelmäßig oder regelmäßig verteilt oder beides sein. Die Isoliergitter 19a und 19b haben vorzugsweise 20-mesh-Abmessungen, jedoch können die Maße zwischen 5 mesh und etwa 30 mesh liegen. Die Abstandshalterelement-Anordnung 19 kann als Ersatz sowohl für die Abstandshalter 13 wie für die Abstandshalter 15 in der Sicherheitsmatte 10 dienen. Wahlweise kann das jeweils andere der beiden Abstandshalterelemente weggelassen werden. Beispielsweise kann eine Sicherheitsmatte hergestellt werden mit einer Deckschicht 17, welche besteht aus einer isolierenden Deckschicht 17a und einer Elektrodenfolie 17b, einem piezoresistiven Schaum 14 an der Elektrodenschicht 17b, der Abstandshalterelement-Anordnung 19 angrenzend an den piezoresistiven Schaum 14, einer unteren Elektrode 12 und einer Basis 11.
Bei einer weiter abgeänderten Ausführung kann die Abstandshalterelement-Anordnung 19 aus einem weitmaschigen Abstandshalter 19c und daran angrenzend nur einem der beiden Gitter 19a oder 19b bestehen. Andererseits kann der Mattenschalter 10 auch mit einem Gitter 19a anstelle jeglichen Abstandshalterelements gefertigt sein, wobei das Gitter selbst als Abstandshalterelement wirkt.
In Fig. 3A ist eine Ausführungsform 80 der Schaltvorrichtung wiedergegeben; sie besteht aus einer Basis 81, leitfähigen Schichten 82 und 85, der piezoresistiven Schicht 84, der Deckschicht 86 und zwei Abstandshaltern 83 bzw. 87, von denen jeder eine Mehrzahl von einzelnen, mit seitlichem Abstand angeordne ten Körnern oder kleinen Kugeln 83a bzw. 87a aus Isoliermaterial aufweist. Die Körner 83a und 87a können an den leitfähigen Schichten 82 und 85 oder an der Ober- und/oder Unterseite des piezoresistiven Materials beispielsweise durch Auftragen eines flüssigen Isoliermittels (z. B. synthetisches Polymer) durch eine Siebschablone hindurch aufgebracht werden, woraufhin die so hergestellten Muster von Körnern erhärten können oder gehärtet werden können. Als Material für die Herstellung der Abstandshalterkörner 83a und 87a können beispielsweise Polymere dienen (etwa Methacrylatpolymere, Polycarbonate oder Polyolefine, gelöst in einem Lösungsmittel und auf die leitfähigen Schichten 82 und/oder 85 in Form einer viskosen Flüssigkeit aufgebracht). Das Lösungsmittel kann anschließend verdunsten, wobei die aufgebrachten Polymerkörner übrigbleiben. Die kleinen Körner 83a und 87a können stattdessen auch als Harz aufgebracht werden, das unter der Wirkung eines Härtemittels (z. B. UV-Licht) aushärtet. Silikone und Epoxyharze sind bevorzugte Stoffe zur Herstellung der kleinen Körner 83a und 87a.
Die Körner 83a und 87a sind vorzugsweise halbkugelförmig, können aber auch beliebige andere Form erhalten und haben vorzugsweise etwa 0,8 mm (1/32") bis etwa 6,4 mm (1/4") Höhe. Die zum Schalten der Vorrichtung 80 erforderliche Kraft hängt zumindest teilweise von der Höhe der Flecken ab.
Die Betätigung und die Konstruktion des Mattenschalters 80 ist ganz ähnlich derjenigen des Mattenschalters 10, abgesehen davon, daß als Abstandshalter einzelne Körner 83a und 87a anstelle einer perforierten zusammenhängenden Schicht verwendet werden, etwa der Abstandshalter 15 und 13 des Mattenschalters 10, oder von Drahtgitterschichten, etwa Gitter 19a oder 19b nach Fig. 3.
Die Ränder der Mattenschalter 10, 20 und 80 werden vorzugsweise verschlossen, beispielsweise durch Heißsiegeln. Die zur Betätigung dienende wirksame Fläche reicht sehr nahe an den Rand und weist nur kleine tote Zonen auf.
Ferner ist in den Fig. 15 und 16 dargestellt, wie Übertragungsmittel in Verbindung mit dem Mattenschalter 130 eingesetzt werden können, um tote Zonen vollständig zu vermeiden. Fig. 15 zeigt eine Hebeleinrichtung 200, die ein Innenteil 201 mit einem Arm 202 und abwärts gerichteter Leiste 203, einem sackförmigen Segment 204 und einem stabilisierenden Stützfinger 205 aufweist. Der Hebel 200 ist länglich und befindet sich neben der Kante des Mattenschalters 130, so daß die Leiste 203 in einen eingetieften Teil zwischen den beiden Rippen 131e auf der Oberseite des Abdeckteils 131b eingreift. Der Arm 202 greift über die Kante des Mattenschalters 130 hinweg. Wenn auf den Arm 202 eine abwärts gerichtete Kraft F ausgeübt wird, schwenkt der Arm 200, auch wenn die Wirkrichtung der Kraft F mit einer Kantenversteifung 137 fluchtet, in der Weise, daß er die Kraft auf einen wirksamen Bereich des Mattenschalters überträgt, wo die Kraft wahrgenommen werden kann. Das heißt, die Leiste 203 steht so oberhalb des photoresistiven Materials 136, daß der Angriff der abwärts gerichteten Kraft F in der Weise verlagert wird, daß das photoresistive Material zusammengedrückt wird.
Der Stützfinger 205 stellt gleichzeitig ein Gegengewicht dar, um den Hebel 200 in unwirksamer, d. h. nicht gekippter Position zu halten, wenn auf den Arm 202 keine abwärts gerichtete Kraft ausgeübt wird. Der Hebel 200 wird dadurch so ausbalanziert, daß, wenn die Kraft F weggenommen ist, der Hebel 200 automatisch in seine Ausgangslage zurückkehrt.
In Fig. 16 ist eine Kupplungseinrichtung 210 dargestellt, durch die zwei Mattenschalter 130 miteinander verbunden werden können, ohne daß zwischen ihnen oder an ihren jeweiligen Rändern eine tote Zone auftreten kann. Die Kupplung 210 besteht aus einem oberen T-förmigen Teil 211, das an dem aufrechtstehenden Stiel 214 der Basis 212 gleitend verschiebbar ist. Das obere T-förmige Teil weist zwei Arme 213 auf, die auf die beiden fraglichen Mattenschalter 130 übergreifen. Jeder Arm besitzt vorzugsweise eine nach unten zeigende Leiste 215, die in die gerippten Oberseiten 131b der Mattenschalter 130 eingreift, wie es oben im Hinblick auf das Zusammenwirken der Leiste 203 mit den Rippen 131e beschrieben ist. Der rohrförmige Abschnitt 217 des oberen Teils besitzt eine Innenkammer 218, in der sich eine Feder 216 befindet. Die Feder 216 ruht auf dem aufrechtstehenden Stiel 214 und drückt das obere Teil 211 federnd in eine obere Stellung, in welcher die Leisten 215 keinerlei abwärts gerichtete Kraft auf die Oberfläche des Deckteils 131b des Mattenschalters ausüben. Wenn eine Kraft auf die Oberseite des oberen T-förmigen Teils 211 ausgeübt wird, bewegt sich das obere Teil 211 gegen die Druckkraft der Feder 216 nach unten. Dadurch werden die Arme 213 und Leisten 215 abwärts bewegt, wodurch auf die gerippte Oberseite 131b nach unten Druck ausgeübt und der Mattenschalter 130 betätigt wird. Eine Kraft, die auf einen an sich als "tote Zone" zu bezeichnenden Bereich ausgeübt wird, überträgt sich auf einen aktiven Bereich des Mattenschalters 130, wodurch bei der praktischen Anwendung eine tote Zone nicht mehr in Erscheinung tritt.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, mit der eine Scherkraft nachgewiesen werden kann, d. h. eine Kraft, die parallel zu der durch die ebene Oberseite definierten Ebene der Schaltvorrichtung einwirkt. Eine vertikal nach unten auf die Deckschicht in einer zu der Oberseite der Schaltvorrichtung definierten Normalenrichtung einwirkende Kraft besitzt keine Scherkomponente. Wenn die nach unten gerichtete Kraft jedoch unter einem Winkel gegen die Vertikalenrichtung auftrifft, hat sie eine parallel zu der Oberseite verlaufende Vektorkomponente, welche eine Scherkraft oder Scherbelastung darstellt.
Wie in Fig. 6 zu erkennen, besitzt die Schaltvorrichtung 60 eine isolierende Deckschicht 61 und an deren Unterseite eine leitfähige Folie oder Beschichtung 62. Die leitfähige Folie 62 wirkt als Emitterelektrode. Die Deckschicht 61 und die leitfähige Folie sind vorzugsweise elastomer. Eine Schicht 63 von piezoresistivem Schaum liegt unter der leitfähigen Folie 62 und steht in elektrischem Kontakt mit dieser. Das Abstandshalter element 64 ist eine Isolierschicht von zelligem Polymer und ist federnd verformbar. Das Abstandselement 64 besitzt eine Öffnung 68, die einen Leerraum darstellt, in den piezoresistiver Schaum 63 eindringen kann, wenn eine abwärts gerichtete Kraft auf die Deckschicht 61 ausgeübt wird. Die primäre Empfangselektrode 65 fluchtet mit der Öffnung 68, so daß dann, wenn der piezoresistive Schaum 63 in die Öffnung 68 gedrückt wird, zwischen dem piezoresistiven Schaum 63 und der primären Empfangselektrode 65 Kontakt hergestellt wird, wodurch der elektrische Kreis geschlossen wird und die Schaltwirkung ausgeübt wird, weil ein Stromfluß zwischen den Elektroden 62 und 65 stattfindet.
Außer der primären Empfangselektrode 65 weist der Nachweisschalter 60 für Scherung mindestens eine und vorzugsweise vier oder mehr als vier sekundäre Empfangselektroden 66a und 66b auf, die rund um die primären Empfangselektrode 65 und in Seitenabstand von ihr angeordnet und von dem Abstandshalterelement 64 bedeckt sind. Die sekundären Empfangselektroden 66a und 66b können in verschiedene Schaltkreise geschaltet werden.
Die Basis 67 ist der Träger für die Vorrichtung, wobei die primäre Empfangselektrode 65 und die sekundäre Empfangselektroden 66a und 66b darauf angebracht sind. Die Basis 67 kann aus den obenerwähnten Materialien hergestellt werden.
Aus den weiteren Fig. 7 und 8 ist zu entnehmen, daß, wenn eine Kraft F vertikal abwärts ohne eine Seitenvektorkomponente (d. h. ohne eine Scherkrafteinwirkung) auf die Deckschicht gerichtet ist, wie in Fig. 7 dargestellt, die Schicht 63 mit piezoresistivem Schaum die Öffnung 68 ausfüllt und Kontakt mit der primären Empfangselektrode 65, jedoch nicht mit den sekundären Empfangselektroden 66a oder 66b herbeiführt. Gemäß Fig. 8 hat die Kraft eine Scherungskomponente, d. h. die Richtung der Kraft F schließt einen Winkel mit der Vertikalen ein. Wie Figur B zeigt, liegt die sekundäre Empfangselektrode 66a auf der Seite der primären Empfangselektrode 65, auf die die Scherkraft gerichtet ist. Das Abstandshalterelement 64 wird dadurch so bewegt, daß es die sekundäre Empfangselektrode 66a freilegt, mit welcher der piezoresistive Schaum außer mit der primären Empfangselektrode 65 ebenfalls kontaktiert wird. Die sekundäre Empfangselektrode 66b auf der Seite der primären Empfangselektrode 65, die der Wirkungsrichtung der zugeführten Scherung entgegengesetzt ist, bleibt bedeckt und wird nicht aktiviert. Auf diese Weise kann die Richtung, in welcher eine Scherungskraft einwirkt, ermittelt werden. Außerdem kann die Größe der Vektorkomponenten der Kraft F gemessen werden, denn der Widerstand des piezoresistiven Schaums ändert sich nach Maßgabe der einwirkenden Druckkraft, wie oben in Verbindung mit den erwähnten Mattenschaltervorrichtungen erläutert. Wird die Scherungskraft weggenommen, kehrt das Abstandshalterelement federnd in seinen Anfangszustand zurück.
In den Fig. 9 und 10 ist eine weitere, eine Scherung nachweisende Schaltvorrichtung 70 dargestellt. Die Schaltvorrichtung 70 enthält eine isolierende Basis 79 mit einer nach einem Muster angelegten Anordnung von primären Empfangselektroden 77, die fluchtend mit den Öffnungen 78 eines starren isolierenden Abstandshalterelements 76 liegen. Eine erste piezoresistive Schaumschicht 75 ist über dem Abstandshalterelement 76 angeordnet, so daß in der Ausgangsstellung der Vorrichtung 70 vor der Komprimierung zwischen der ersten piezoresistiven Schaumschicht 75 und den primären Empfangselektroden 77 ein Zwischenraum verbleibt. über der ersten piezoresistiven Schaumschicht 75 befindet sich eine elastomere Isolationsfolie 73 mit einem oberen bzw. einem unteren leitenden Überzug 74b bzw. 74c. Die leitfähigen Überzüge 74b und 74c dienen als Emitterelektroden und können miteinander oder mit Teilen verschiedener elektrischer Kreise elektrisch verbunden sein. Eine zweite Schicht 72 von piezoresistivem Schaum ist über die obere leitende Schicht 74b gelegt und steht mit dieser in elektrischem Kontakt. Die zweite Schicht 72a von piezoresistivem Schaum hat eine Mehrzahl aufwärts vorspringender kegelförmiger Spitzen 72a. Stattdessen kann 72a aber auch ein leitfähiges Elastomer sein.
Die isolierende Tieckschicht 71 befindet sich oberhalb der zweiten piezoresistiven Schaumschicht 72 und besitzt eine Mehrzahl Öffnungen 71a, durch welche die kegelförmigen Spitzen 72a hindurchstoßen, so daß die Spitzen 72a von piezoresistivem Schaum über die Oberseite der Deckschicht 71 hinausragen. Mindestens eine und vorzugsweise mehrere sekundäre Elektroden 74a sind um jede Öffnung 71a der Deckschicht 71 herum auf deren Oberseite angeordnet.
Fig. 10 zeigt eine auf die Schaltvorrichtung 70 einwirkende abwärts gerichtete Kraft F mit Scherungskomponente. Die erste piezoresistive Schicht 75 wird durch die Öffnungen 78 hindurch in Kontakt mit den primären Empfangselektroden 77 gebracht. Ferner verbiegen sich die kegelförmigen Spitzen 72a hinüber in Richtung der Scherkraft, und stellen elektrischen Kontakt mit sekundären Empfangselektroden 74a her, wodurch der elektrische Strompfad zwischen der oberen Emitterelektrode 74b und der sekundären Empfangselektrode 74a hergestellt wird. Richtung und Stärke der Scherung können gemessen werden, indem bestimmt wird, welche der sekundären Empfangselektroden 74a aktiviert sind, und indem die Stärke des von der oberen Emitterelektrode 74b dorthin fließenden Stroms gemessen wird. Ebenso kann die Größe des abwärts gerichteten Vektors der Kraft bestimmt werden aus dem Strom, der von der unteren Emitterelektrode 74c zu den primären Empfangselektroden 77 fließt. Darüber hinaus kann die Lateralposition der auf die Oberseite der Vorrichtung 70 ausgeübten Kraft F dadurch angezeigt werden, daß bestimmt wird, welche der primären Empfangselektroden 79 aktiviert sind. Auf diese Weise lassen sich die Einzelheiten von Position, Größe und Richtung einer ausgeübten Kraft ermitteln. Die Auflösungsgenauigkeit der Messung hängt von Zahl, Größe und Anordnung von Empfangselektroden ab.
Der entsprechende Mattenschalter 35 besitzt Laschen 36, deren Form und Größe so gewählt sind, daß sie in Schlitze 32 eingreifen, ferner Schlitzbereiche 37 zum Aufnehmen von Laschen 31 der Sicherheitsmatte 30.
Mit den Lappen und entsprechenden Schlitzen werden miteinander zu verbindende Matten 30 und 35 geboten. Nach dem Zusammensetzen können die Mattenschalter 30 und 35 durch seitlich angreifende Kräfte nicht wieder getrennt werden. Man erkennt leicht, daß die Lappen an mehr als einem Rande des Mattenschalters eingebaut werden können, und daß viele Matten untereinander verbunden werden können, um eine einheitliche zusammenhängende Konstruktion herzustellen. Die Matten lassen sich sowohl elektrisch als auch materiell in Reihe oder parallel schalten. Die Mattenschalterkonstruktion mit der vorliegenden Verbindung erlaubt es, die wirksame Fläche der Matte bis in die Lappen 31, 36 hinein auszudehnen. Der Bereich der Lappen stellt somit keine tote Zone dar.
In Fig. 17 ist ein Schaltkreis 50 dargestellt, in welchem jeder der erfindungsgemäßen Mattenschalter eingesetzt werden kann, um ein Relais zu betätigen.
Die Schaltung 50 wird gespeist von einer Gleichstromquelle, d. h. einer Batterie 51, die eine Gleichspannung V&sub0; zwischen 12 und 48 Volt, vorzugsweise 24 bis 36 Volt liefert. Die Sicherheitsmatte A kann eine der obenbeschriebenen erfindungsgemäßen Matten sein.
Das Potentiometer R&sub1; kann von 1000 Ohm bis etwa 10.000 Ohm reichen und stellt einen Eichwiderstand dar. Widerstand R&sub2; ist ein Festwiderstand zwischen etwa 1000 Ohm und etwa 10.000 Ohm. Die Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; verstärken das von der Sicherheitsmatte ausgehende Signal, damit das Relais K betätigt werden kann. Das Relais K dient zum Schließen oder Öffnen des Stromkreises, in welchem die zu überwachende Maschine M arbeitet. Die Kapazität C&sub1; beträgt zwischen etwa 0,01 uF und 0,1 uF und dient zum Unterdrücken von Rauschen. K läßt sich durch ein Meßgerät ersetzen, um die Kraft an A zu messen. Dazu wäre die Einstellung des Verhältnisses R&sub1; und A (Komprimierung versus Kraft) erforderlich, um die Transistoren Q&sub1; und Q&sub2; in den Linearbereich der Verstärkung zu bringen. Die Schaltung zeigt ein Beispiel dafür, wie die Matte aktiviert werden kann. Zahlreiche andere Schaltungen, einschließlich der Verwendung von Triacs, können angewandt werden.
Die verschiedenen Elektroden der Mattenschälter 40, 60 und 70 lassen sich in getrennte elektrische Kreise der in Fig. 17 gezeigten Art einbauen. Die Aktivierung des einem bestimmten Schaltkreis entsprechenden Relais würde dann anzeigen, daß Längsdruck oder Scherkraft bestimmter Größe oder in bestimmter Position auf die Matte eingewirkt hat. Die verschiedenen Ausgänge des Relais können als Eingang einer vorprogrammierten Führungssteuerung oder sonstiger Steuerungs- oder Reaktionsmittel dienen.
Die Erfindung läßt sich außer an Sicherheitsmatten für Maschinenanlagen für zahlreiche weitere Anwendungsfälle einsetzen. Beispielsweise kann die Erfindung genutzt werden für Einbruchsanzeige, Nachweis von Ladungsverschiebung, für Crash-Dummies, sportliche Zwecke (z. B. Baseball, Karate, Boxen usw.), Sensorvorrichtungen an Gliedern des menschlichen Körpers, um Computersignale für die Steuerung von Prothesen zu liefern, Feedbackvorrichtungen für Virtual-Reality-Einrichtungen, Bettdecken zur Überwachung des Herzschlags (vor allem zur Anwendung in Krankenhäusern oder zur Signalisierung von Herzstillstand beim Syndrom des plötzlichen Kindstodes), Spielzeuge, Hilfsmittel für Blinde, Vorrichtungen zur Computereingabe, Hilfsmittel für das Festmachen von Schiffen, Keyboards, Analog-Knopf-Schalter, "intelligente" Dichtungen, Waagschalen und dergleichen.
Natürlich können an den hier beschriebenen Ausführungsformen die verschiedensten Änderungen vorgenommen werden. Die obenstehende Beschreibung ist daher nicht als einschränkend zu betrachten sondern lediglich als beispielartige Darstellung bevorzugter Ausführungsformen. Der Fachmann wird mögliche Ausführungsvarianten im Rahmen der Patentansprüche erkennen.

Claims

1. Druckbetätigte Schaltvorrichtung (10), bestehend aus:

a) einer ersten (17b) und einer zweiten (12) leitfähigen Schicht;

b) einer Schicht von zusammendrückbarem piezoresistivem Material (14) zwischen der genannten ersten (17b) und zweiten (12) leitfähigen Schicht;

c) mindestens einem nichtleitenden Abstandselement (13, 15) zwischen dem genannten piezoresistiven Material (14) und mindestens einer der genannten ersten (17b) und zweiten (12) leitfähigen Schicht, welches Abstandselement (13, 15) mit einer Vielzahl von Öffnungen (13a, 15a) versehen ist;

worin als Reaktion auf die Ausübung einer Kraft von festgelegter Höhe das genannte zusammendrückbare piezoresistive Material (14) durch mindestens einige der genannten Öffnungen (13a, 15a) des genannten Abstandselements (13, 15) gedrückt wird, und einen elektrischen Kontakt mit der genannten angrenzenden leitfähigen Schicht (17b, 12) herbeiführt;

dadurch gekennzeichnet, daß

das genannte piezoresistive Material (14) einen expandierten Polymerschaum darstellt, der eine Vielzahl von in einer Polymermatrix verteilten Poren aufweist, welcher Matrix ein Gemisch von leitfähigen Partikeln und leitfähigen Fasern zugesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zusammendrückbare photoresistive Material (14) im nicht zusammengedrückten Zustand einen Widerstand von etwa 500 Ohm bis etwa 150.000 Ohm und im zusammengedrückten Zustand einen Widerstand von etwa 200 Ohm bis etwa 500 Ohm hat, und daß die genannte erste (17b) und zweite (12) leitfähige Schicht jeweils einen Widerstand hat, der niedriger ist als der Widerstand der zusammengedrückten piezoresistiven Schicht (14).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem eine Deckschicht (17a) und eine Bodenschicht (11) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste leitfähige Schicht (17b) zwischen der Deckschicht (17a) und dem piezoresistiven Material (14·) angeordnet ist und die zweite leitfähige Schicht (12) zwischen der Bodenschicht (11) und dem piezoresistiven Material (14) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste leitfähige Schicht (17b) ein leitfähiges Elastomermaterial (17c) und eine damit verklebte Folienschicht (17d) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Folie (17d) in Segmente unterteilt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Deckschicht (17a) und die erste leitfähige Schicht (17b) miteinander verklebt sind und die Eigenschaften eines Elastomers haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste (17b) und die genannte zweite (12) leitfähige Schicht Lagen von Metallfolie (17d) enthalten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte piezoresistive Material (14) einen zelligen Polymerschaum darstellt, der einen leitfähigen Füllstoff enthält, welcher aus einem Gemisch von Kolloidgraphit und Graphitfasern besteht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte mindestens einzelne Abstandselement (13, 15) aus einer Schicht von steifem Polymermaterial besteht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das genannte mindestens einzelne Abstandselement (13, 15) aus einer dünnen Lage von federndem, zusammendrückbarem Polymermaterial besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Öffnungen (13a, 15a) des genannten Abstandselements (13, 15) im wesentlichen übereinstimmende Größe und Abstände haben und/oder regelmäßig angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Öffnungen (13a, 15a) des genannten Abstandselements (13, 15) Größe, Abstand und/oder Muster im wesentlichen in einer Zufallsverteilung aufweisen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte mindestens einzelne Abstandselement (19) ein Gitter (19a, 19b) umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner bestehend aus Tasteinrichtungen (210) zum Verbinden einer druckbetätigten Schaltvorrichtung (130) mit einer weiteren.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner bestehend aus einer auf das Ausüben einer Scherkraft ansprechenden Einrichtung (64, 72a) zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen dem genannten piezoresistiven Material (63, 72) und der genannten ersten (62, 74a) und zweiten (66a, 66b, 74b) leitenden Schicht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Höhe der ausgeübten Kraft in Beziehung steht zu der Größe der genannten Öffnungen (13a, 15a) in dem Abstandselement und der Stärke und Steifigkeit des genannten Abstandselements (13, 15).

18. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Elastomermaterial (17c) ein elastomeres Polymerharz umfaßt, das einen Füllstoff aus elektrisch leitenden Teilchen aufweist und einen Schichtwiderstand in Ohm/square [Quadrat von 1 in. Seitenlänge] in einer Höhe von weniger als 10% desjenigen des piezoresistiven Materials (14) besitzt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste leitfähige Schicht (17b) an das piezoresistive Material (14), das piezoresistive Material (14) an das Abstandselement (13) und das mindestens einzelne Abstandselement (13) an die zweite leitfähige Schicht (12) · angrenzt.