DE10218613A1

DE10218613A1 - Vorrichtung zur Detektion mechanischer Kräfte

Info

Publication number: DE10218613A1
Application number: DE10218613A
Authority: DE
Inventors: Markus Hugenschmidt
Original assignee: WET Automotive Systems AG
Current assignee: WET Automotive Systems AG
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2003-12-04
Also published as: JP2003322570A; US20040016300A1; CN1453564A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion mechanischer Kräfte, mit mindestens einer Detektionsplatte (8), welche der Aufnahme zu detektierender Kräfte dient, und mindestens zwei Elektroden (1, 2), welche die Detektionsplatte (8) elektrisch kontaktieren. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß die Detektionsplatte (8) mindestens zwei einander zumindest teilweise überdeckend angeordnete Meß-Schichten (3, 4) aufweist, und daß bei Einwirkung zu detektierender Kräfte auf die Detektionsplatte (8) mindestens eine der Meß-Schichten (3, 4) mindestens eine ihrer elektrischen Material-Eigenschaften ändert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion mechanischer Kräfte nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

Aus DE 197 50 671 ist ein Sensor bekannt, der die Änderung elektrischer Eigenschaften leitfähiger Kunststoffe unter Krafteinwirkung detektiert. Mit einem solchen Detektor ist es jedoch schwierig, Informationen über die Art der einwirkenden Kräfte und ihre Wirkung in einer größeren Fläche zu gewinnen.

Gegenstand der Erfindung

Es wird deshalb ein Sensor gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 ermöglicht, verschiedene Arten von Kräften zu erfassen.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 2 ermöglicht den rechnerischen Vergleich zwischen den beiden Meß-Schichten.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 3 ermöglicht eine optimale Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Aufgabenstellungen.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 4 ermöglicht eine Messung durch einfache Widerstandsüberwachung.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 5 verbessert die Unterscheidbarkeit verschiedener einwirkender Kräfte.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 6 gestattet es, das Einwirken von Kräften auf bestimmte Teile einer zu überwachenden Fläche eindeutig zu identifizieren.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 7 fördert die Unterscheidbarkeit von Druck und Biegekräften.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gestattet einen optimalen Stromübergang von den Elektroden auf die Detektorplatte.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 9 ist insbesondere zur gleichzeitigen Überwachung von Druck- und Biegekräften geeignet.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 10 ist produktionstechnisch einfach zu fertigen.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 11 ermöglicht einen besonders flexiblen Aufbau des Sensors. Dies ist insbesondere bei in weiche Materialien eingebetteten Sensoren wichtig.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 12 ermöglicht eine besonders einfache gleichzeitige Messung von Druck- und Biegekräften.

Figuren

Die nachfolgende Beschreibung behandelt Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Erfindung. Diese Ausführungen sind nur beispielhaft zu verstehen und erfolgen unter Bezug auf:
Fig. 1 Querschnitt durch eine Detektor-Vorrichtung
Fig. 2 Draufsicht auf eine Ausführungsvariante mit mäanderförmigen Elektroden

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt. Die Vorrichtung weist eine Detektionsplatte 8 auf. Sie dient der Erfassung einwirkender Kräfte. Die Detektionsplatte 8 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel 3 übereinander angeordnete Materialschichten auf. Dabei handelt es sich um eine erste Meß-Schicht 3, eine zweite, darüber angeordnete Meß-Schicht 4 und eine zwischen den beiden Meß-Schichten verlaufende Zwischenschicht 9.
Die beiden Meß-Schichten 3, 4 weisen einen endlichen elektrischen Widerstand auf. Mindestens eine der Meß-Schichten 3, 4 ist kompressibel.
Die Zwischenschicht 9 beabstandet die beiden Meß-Schichten 3, 4. Sie ist vorzugsweise so ausgebildet, daß ihre elektrische Leitfähigkeit senkrecht zur Detektionsplatte 8 größer ist als längs der Zwischenschicht 9.
Die Detektionsplatte 8 ist von zwei Elektroden 1, 2 kontaktiert. Die Elektroden verlaufen dazu in etwa parallel in einem gewissen Abstand voneinander. Die Elektroden sind als flache, rechteckige Kupferleiter ausgeführt. Sie liegen beide auf der der Zwischenschicht 9 abgewandten Oberfläche der Meßschicht 3 auf.
Die Detektionsplatte 8 ist zusammen mit den Elektroden 2 in eine Isolationsschicht 16 eingehüllt. Die Isolationsschicht ist z. B. aus Polyurethan, Polyester oder einem anderen flexiblen Material.
Eine Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1 hat eine Detektionsplatte von beispielsweise 10 × 10 cm Größe. Eine solche Vorrichtung 100 kann beispielsweise in der Polsterung eines Sitzes z. B. nache der Sitzoberfläche vorgesehen sein.
Nimmt nun ein Benutzer auf einem solchen Sitz Platz, so wirkt eine flächig verteilte Kraft auf die Detektionsplatte 8. Dies führt dazu, daß mindestens eine der Meß-Schichten 3, 4 und/oder die Zwischenschicht 9 ihren elektrischen Widerstand ändern. Die Größe der Widerstandsänderungen ist ein Maß für die Größe der einwirkenden Kräfte. Die Verteilung der Widerstandsänderungen auf die verschiedenen Schichten gibt Aufschluß über die Art und Verteilung der Kräfte.
Wird ein solcher Sitz z. B. nicht durch eine sitzende Person gleichmäßig sondern z. B. durch ein Knie nur punktuell belastet belastet, führt dies zu Druck auf die Sensorplatte 8. Gleichzeitig wird die Sensorplatte 8 durch die ungleichmäßig einwirkende Kraft verbogen. Dies führt zur Dehnung der einen Meßplatte 3, 4 und gleichzeitig zur Stauchung der gegenüberliegenden Meßplatte 3, 4. Eine Materialdehnung führt zu einer reduzierten Querschnittsfläche und zu einer Streckung des Materials. Daraus resultiert eine Widerstandserhöhung. Eine Stauchung führt umgekehrt zu einer Querschnittsverdickung und einer Verkürzung des betroffenen Materials. Daraus folgt ein erhöhter elektrischer Widerstand in der gedehnten Meßschicht 3, 4 und ein reduzierter elektrischer Widerstand in der gestauchten Meßschicht 3, 4. Ist nun die elektrische Leitfähigkeit der beiden Meßschichten 3, 4 von vornherein deutlich voneinander verschieden, dann läßt sich die resultierende Widerstandsänderung eindeutig zu Zugkräften, Druckkräften oder konvexen oder konkarven Biegungen zuordnen.
Fig. 2 zeigt eine Detektionsplatte 8, auf der Elektroden 1, 2 mäanderförmig aufgebracht sind. Eine solche Ausführungsform ermöglicht die Herstellung sehr dehnbarer Detektionsvorrichtungen. Wird die Detektionsplatte 8 gedehnt oder gestaucht, wird sie durch die Elektroden 1, 2 nicht an entsprechenden Bewegungen gehindert. Die Streckenänderungen an der Detektionsplatte 8 werden durch Veränderung der Wellenlänge oder Amplitude der Elektrode entsprechend ausgeglichen. Dies ist wichtig, damit oberflächennah in Polsterungen angeordnete Sensoren für den Benutzer nicht störend spürbar werden.
Unterschiedliche lokale Leitfähigkeit der Zwischenschicht ist z. B. durch Vorsehen von Ausnehmungen möglich. Es ist auch denkbar mindestens zwei Elektroden auf jeder der beiden Oberflächen der Detektionsplatte anzuordnen. Dadurch können die elektrischen Veränderungen jeder Meß-Schicht separat voneinander bestimmt und miteinander verglichen werden. Dadurch ließe sich z. B. die Wirkrichtung einer einwirkenden Biegekraft ermitteln.
Es ist auch denkbar, Elektroden auf einander gegenüberliegenden Oberflächen der Detektionsplatte anzuordnen. Mit diesen könnte dann eine senkrecht zur Detektionsplatte wirkende Kraft unabhängig von Biegekräften erfaßt werden.
Es ist auch denkbar, die beiden eben zuletzt beschriebenen Anordnungen zur Biegungs- und Druckmessung zu kombinieren. Dadurch läßt sich ein kompakter, vielseitiger Sensor herstellen.
Es ist denkbar, daß die Zwischenschicht ihre für die Messung relevanten Eigenschaften hauptsächlich bei senkrecht zur Detektionsplatte wirkenden Kräften ändert und weniger bei Kräften längs der Detektionsplatte. Dadurch fördert sie die Erkennbarkeit der Kraftwirkungsrichtung.
Es ist auch denkbar, daß die Meß-Schichten einander teilweise nicht überdecken und daß an diesen nicht bedeckten Bereichen zusätzliche Elektroden beabstandet zueinander angeordnet sind. Dadurch lassen sich ebenfalls die verschiedenen Kräfte besser voneinander unterscheiden.
Es ist denkbar, daß mindestens eine der Meßschichten aus einem elastischen Kunststoff hergestellt ist, der elektrisch leitfähige Partikel enthält. Bei Kompression der Meß-Schicht kommen diese in Kontakt miteinander und vergrößern die elektrische Leitfähigkeit.
Es ist denkbar, daß die elektrisch leitfähigen Partikel verschiedenen Partikeltypen angehören. Eine erste z. B. faserförmige Partikelsorte könnte die Grundleitfähigkeit sicherstellen. Eine zweite z. B. körnige Partikelsorte könnte eine erhöhte Leitfähigkeit unter Druck bewirken.
Es sind Mischungen aus mehr als zwei Partikeltypen denkbar, insbesondere Fasern, Knäuel, Körner oder Flocken. Als Kunststoff sind insbesondere denkbar amorphe, kristalline und geschäumte Strukturen.

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion mechanischer Kräfte, mit mindestens einer Detektionsplatte (8), welche der Aufnahme zu detektierender Kräfte dient, und mindestens zwei Elektroden (1, 2), welche die Detektionsplatte (8) elektrisch kontaktieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsplatte (8) mindestens zwei einander zumindest teilweise überdeckend angeordnete Meß-Schichten (3, 4) aufweist, und daß bei Einwirkung zu detektierender Kräfte auf die Detektionsplatte (8) mindestens eine der Meß-Schichten (3, 4) mindestens eine ihrer elektrischen Material- Eigenschaften ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meß-Schichten (3, 4) sich in mindestens einer Materialeigenschaft unterscheiden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterschied zwischen den beiden Meß-Schichten (3, 4) in der elektrischen Leitfähigkeit, dem Elastizitätsmodul, der Biegesteife, der Veränderung der spezifischen elektrischen Leifähigkeit bei Krafteinwirkung oder bei Wärmeeinwirkung besteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Meß-Schichten (3, 4) bei Krafteinwirkung ihre elektrische Leitfähigkeit ändert.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Meß-Schichten (3, 4) eine Zwischenschicht (10) angeordnet ist, welche bei senkrecht zur Detektorplatte (8) gerichteter Belastung ihre elektrische Leitfähigkeit ändert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (10) lokal unterschiedlich elektrisch leitfähig und/oder unterschiedlich elastisch ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (10) senkrecht zur Detektionsplatte elektrisch leitfähiger ist als längs der Detektionsplatte.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode (1, 2) aus Kupfer gefertigt, zumindest an den die Detektionsplatte (8) berührenden Stellen flach und mit einem Leitlack beschichtet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Kräfte insbesondere Druck und/oder Biegung sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2) von Leitungen (12) eines Flachkabels (14) gebildet und daß die Detektionsplatte (8) innerhalb einer das Flachkabel (14) umhüllenden Isolationsschicht (16) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden (1, 2) mäanderförmig an der Detektorplatte (8) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2) auf derselben Seite der durch die Detektorplatte (8) gebildeten Ebene angeordnet sind, und daß die an den Elektroden (1, 2) anliegende Meß-Schicht (3) kompressibler ist als die den Elektroden (1, 2) abgewandte Meß-Schicht (4).