DE3236056A1 - Detektormatte - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 2 9 9 DE

Detektormatte

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektormatte mit Elektroden, die mit einem flachen Grundkörper wenigstens ein druckempfindliches Wandlerelement bilden.

Es sind Tasten auf kapazitiver Basis bekannt, bei denen das Zusammenpressen eines Dielektrikums eine sprunghafte Kapazitätsänderung bewirkt, die'mit Hilfe geeigneter Schaltungen in Impulse umgesetzt und einer Elektronik zugeführt wird. Solche Taster ohne mechanische Kontakte haben eine hohe Lebensdauer (Elektronikschau, Heft 9, 1980, Seite 27).

Es ist ferner ein kapazitiver Druckknopfschalter bekannt, bei dem eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF, die als Dielektrikum vorgesehen ist, an einer Flachseite mit einer dünnen biegsamen Elektrode versehen ist, die über eine Schaumstoffzwischenlage mit einem Druckknopf verbunden ist. Auf der gegenüberliegenden Flachseite des Dielektrikums sind in einem vorgegebenen Abstand zwei elektrische Leiter vorgesehen, die auf einer Leiterplatte nebeneinander angeordnet sind und mit dem Dielektrikum und der gemeinsamen Elektrode eine Reihenschaltung von Kapazitäten bilden. Mit der Betätigung des Druckknopfes erhält man eine Änderung der Gesamtkapazität, aus der ein Schaltsignal abgeleitet wird (DE-OS 31 14 518).

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Es ist ferner eine Detektormatte mit eines flachen Grundkörper bekannt, an dessen Flachseiten Elektroden angeordnet sind. Der Grundkörper besteht aus piezoelektrischem Material und seine Flachseiten sind mit den Elektroden versehen. Bei dieser piezoelektrisch wirkenden Detektormatte können langsam sich ändernde Druckbelastungen oder statische Druckbelastungen nicht eindeutig erkannt werden, weil die geringen piezoelektrisch erzeugten Ladungen abfließen können (DE-AS 28 34 863).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektormatte anzugeben, die empfindlich ist gegen Druckeinwirkung, in einfacher Weise hergestellt werden kann, unempfindlich ist gegen Störungseinflüsse und eine lange Lebensdauer hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dieser Ausführungsform der Detektormatte stellt sich nach jeder Belastung der Kapazitätswert der unbelasteten Matte selbsttätig wieder ein. Beim Betreten der Detektormatte wird die Kapazität an den Belastungspunkten durch die Dicke des Dielektrikums, dessen Dielektrizitätskonstante und die wirksame Elektrodenfläche bestimmt. Bei Verwendung einer Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF oder eines Copolymers, deren Dicke 10 /um im allgemeinen nicht wesentlich überschreitet und deren relative Dielektrizitätskonstante etwa 10 bis 15 ist, beträgt die Kapazitätsänderung mehr als eine Größenordnung und ist somit leicht elektronisch auswertbar. Die Elastizität und Dicke der Abstandhalter wird so gewählt, daß im unbelasteten Zustand die Kapazitäten zwischen den an beiden Flachseiten des Dielektrikums angeordneten Elektroden ausreichend klein sind und

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zugleich eine große Empfindlichkeit der Detektormatte erreicht wird. Die Detektormatte bildet eine empfindliche und zuverlässige und somit vielseitig einsetzbare Sicherheitseinrichtung, die auch als Alarmeinrichtung verwendet werden kann.

In einer besonders einfachen Ausführungsform der Detektormatte können die Elektrodenstreifen und die Abstandhalter auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sein. In dieser Ausführungsform mit einer verhältnismäßig steifen Abdeckplatte ist die mechanische Beanspruchung des Dielektrikums verhältnismäßig gering.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Detektormatte kann auch ein dünnes, flächenhaftes Dielektrikum aus Piezokeramik mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstanten vorgesehen sein. Damit erhält man eine Kapazitätsänderung um mehrere Größenordnungen.
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Eine besonders einfache Signalerkennung mit Ortsauflösung erhält man mit einer Ausführungsform der Detektormatte mit Zeilen- und Spaltenelektroden, deren Kreuzungspunkte jeweils ein Wandlerelement bilden. An diese Elektroden wird spaltenweise nacheinander jeweils eine Wechselspannung angelegt und die Signale werden zeilenweise ausgelesen.

Die Abstandhalter können zweckmäßig aus elektrisch isolierenden Elastomeren bestehen, die streifenförmig oder zylinderförmig gestaltet sein können oder auch als Noppen ausgeführt werden können. Sie können sowohl an der Grund- oder Leiterplatte als auch an einer als Abdeckplatte dienenden Auflage befestigt sein. Die Elektroden können wenigstens teilweise aus Metall oder

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auch aus elektrisch leitenden Elastomeren bestehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Ausführungsbeispiele von Detektormatten nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. Figur 1 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform in auseinandergezogener Sandwich-Darstellung. In Figur 2 ist eine Ausführungsform mit Zeilen- und Spaltenelektroden dargestellt. In Figur 3 ist eine Draufsicht der Anordnung nach Figur 2 veranschaulicht. Figur 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführung sfοrm nach Figur 3 und in Figur 5 ist eine Detektormatte mit noppenförmigen Abstandhaltern dargestellt.

In der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein flächenhaftes, dünnes Dielektrikum 2, vorzugsweise eine Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von etwa 5 bis 100 /um, vorzugsweise etwa 10 /um, insbesondere eine Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT, deren Dicke 100 /um nicht wesentlich überschreitet und deren relative Dielektrizitätskonstante bis zu annähernd 4000 betragen kann, als Dielektrikum vorgesehen. An ihrer unteren Flachseite sind eine große Anzahl von Streifenelektroden mit einer vorbestimmten, in der Figur nicht näher bezeichneten Dicke angeordnet, von denen in der Figur zur Vereinfachung nur zwei dargestellt und mit 4 bzw. 5 bezeichnet sind. Diese Streifen elektroden 4 und 5 bestehen wenigstens in ihrem dem Dielektrikum 2 zugewandten Oberflächenbereich aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise einem elektrisch leitenden Elastomer, oder auch aus Metall. Diese Streifenelektroden 4 und 5 sind zwischen ebenfalls streifenförmigen Abstandhaltern 6, 7 und 8 mit größerer Dicke angeordnet, die vorzugsweise aus elek-

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trisch isolierenden Elastomeren bestehen. Die Streifenelektroden 4 und 5 sowie die Abstandhalter 6 bis 8 sind auf einer Grundplatte 14, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann, parallel nebeneinander angeordnet. Auf der oberen Flachseite des Dielektrikums 2 ist eine dünne, flächenhafte Elektrode 10 aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, die beispielsweise an einer steifen Abdeckplatte 12 befestigt sein kann. Die Baueinheit aus der Abdeckplatte 12 mit der Elektrode 10 kann vorzugsweise aus einer handelsüblichen kupferkaschierten Leiterplatte bestehen.

Im Falle einer Druckbelastung werden die benachbarten weichen Abstandhalter 6, 7 oder 8 zusammengedrückt, so daß sich der Abstand zwischen den Streifenelektroden oder 5 und der Elektrode 10 in dem belasteten Oberflächenbereich vermindert. Aus der entsprechenden Kapazitätsänderung wird ein Schaltsignal abgeleitet und einer in bekannter Weise aufgebauten Elektronik zugeführt. Zu diesem Zweck ist die Elektrode 10 mit einem in der Figur nicht dargestellten elektrischen Anschlußleiter versehen. Auch die Streifenelektroden 4 und 5 sind mit einem gemeinsamen elektrischen Anschlußleiter verbunden. Ein besonderer Vorteil der Detektormatte besteht darin, daß sie am Ende jeder Druckbelastung unter der Wirkung ihrer Abstandhalter 6 bis 8 ihren ursprünglichen Kapazitätswert wenigstens annähernd wieder annimmt.

In einer besonderen Ausführungsform der Detektormatte ist als Dielektrikum 2 eine Folie aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT vorgesehen, die in einfacher Weise mit der Elektrode 10 verlötet oder verklebt sein kann. Mit dieser Ausführungsform der Detektormatte erhält man ein entsprechend erhöhtes Ausgangssignal. Unter

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Umständen kann es zweckmäßig sein, die Anordnung derart um 180° zu verdrehen, daß die dargestellte Abdeckplatte 12 die Grundplatte bildet, auf der dann die flächenhafte Elektrode 10 und das Dielektrikum gestapelt sind.

In der Ausführungsform der Detektormatte nach Figur sind zylindrische Streifenelektroden 24 und 25 vorgesehen, die unterhalb des Dielektrikums 2 auf der Grundplatte 14 angeordnet sind. Auf der oberen Flachseite des Dielektrikums 2 sind ebenfalls zylindrische Abstandhalter 26 und 27 mit größerer Dicke D vorgesehen, die aus einem elektrisch isolierenden Elastomer bestehen. Ferner sind oberhalb des Dielektrikums 2 streifenförmige Elektroden vorgesehen, von denen in der Figur nur die erste sichtbar und mit 28 bezeichnet ist, und die an der gemeinsamen Abdeckung 12 befestigt sind.

Nach Figur 3 sind diese Streifenelektroden 24 und zu den oberhalb des Dielektrikums 2 angeordneten, ebenfalls streifenförmigen Elektroden 28 bis 30 derart gekreuzt, daß in ihren Kreuzungspunkten jeweils ein Druckwandlerelement gebildet wird. In dieser Ausführungsform bilden die Streifenelektroden 24 und 25 in X-Richtung verlaufende Spaltenleiter und die an der Abdeckung 12 befestigten Elektroden 28 bis 30 in Y-Richtung verlaufende Zeilenleiter. Im Falle einer Druckbelastung P werden die benachbarten weichen Abstandhalter 26 und 27 zusammengedrückt, so daß sich der Abstand A zwischen der als Zeilenleiter dienenden Elektrode 30 und der als Spaltenleiter dienenden Streifenelektrode 24 vermindert und die Kapazität des in diesem Kreuzungspunkt gebildeten Wandlerelements entsprechend erhöht wird. Dieses Signal kann an der

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Streifenelektrode 24 oder der Elektrode 30 ausgelesen werden. Mit dieser Ausführungsform erhält man somit eine ortsauflösende Detektoraatte.

Abweichend von der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 können nach Figur 4 oberhalb des Dielektrikums streifenförmige Elektroden 33 und 39 auch derart angeordnet sein, daß sie oberhalb der Streifenelektroden 24 und 25 und parallel zu diesen sowie parallel zu den Abstandhaltern 26 und 27 verlaufen. In dieser Anordnung ist die Kapazität der unbelasteten Detektormatte sehr gering und das Schaltverhalten der Detektormatte wird entsprechend verbessert.

In der Ausführungsform nach Figur 5 ist die Grundplatte 14 mit einer flächenhaften Elektrode 34 versehen, die beispielsweise aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, bestehen kann. Auf dieser Elektrode 34 sind noppenförmige Abstandhalter 36 bis 38 vorgesehen, die beispielsweise auf ihre metallische Unterlage aufgeklebt sein können. Oberhalb des Dielektrikums 2 sind Streifenelektroden 34 und 35 zwischen den Reihen der noppenförmigen Abstandhalter 36 bis 38 angeordnet und an der Abdeckplatte 12 befestigt. In dieser Ausführungsform kann sowohl die Grundplatte 14 mit ihrer Elektrode 34 und den Abstandhaltern 36 bis 38 als auch die Abdeckplatte 12 mit ihren Streifenelektroden 34 und 35 jeweils als Baueinheit vorgefertigt werden. Durch die Noppenform der Abstandhalter 36 bis 38 wird die Detektormatte weicher und die Empfindlichkeit der Anordnung entsprechend erhöht.

8 Patentansprüche
5 Figuren

Claims (8)

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   Patentansprüche

   ;Ί.)Detektormatte mit Elektroden (4, 5; 10), die mit einem flachen Grundkörper (2) wenigstens ein druckempfindliches Wandlerelement bilden, dadurch gekennzeichnet , daß als Grundkörper ein flächenhaftes, dünnes Dielektrikum (2) vorgesehen ist, dem auf beiden Flachseiten jeweils mindestens eine Elektrode (4, 5> 10) zugeordnet ist, die unter Druckbelastung wenigstens teilweise relativ zueinander beweglich sind, und daß wenigstens die Elektroden an einer der Flachseiten aus nebeneinander angeordneten Streifenelektroden (4, 5) bestehen, und daß zwischen den Streifenelektroden (4, 5) elastische Abstandhalter (6 bis 8) vorgesehen sind (Figur 1).
2. 2. Detektormatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Dielektrikum Homo- oder Copolymere von Polyvinylidenfluorid PVDF vorgesehen sind.
3. 3. Detektormatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (4, 5) und die Abstandhalter (6 bis 8) auf einer gemeinsamen Grundplatte (14) angeordnet sind.
4. 4. Detektormatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Dielektrikum (2) aus Blei-Zirkonat-Titanat PZT besteht.
5. 5. Detektormatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenelektroden (24, 25) aus leitfähigen Elastomeren

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   bestehen, die auf der Grundplatte (14) angeordnet sind, und daß die Abstandhalter (26, 27) auf der gegenüberliegenden Flachseite des Dielektrikums (2) angeordnet sind (Figuren 2 und 3). 5
6. 6. Detektormatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Flachseiten des Dielektrikums (2) streifenförmige Elektroden vorgesehen sind, die als Zeilen- und Spaltenelektroden gestaltet sind und deren Kreuzungspunkte jeweils ein druckempfindliches Wandlerelement bilden (Figuren 2 und 3).
7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß an der von den Streifenelektroden (24, 25) abgewandten Flachseite des Dielektrikums (2) ebenfalls streifenförmige Elektroden (38, 39) vorgesehen sind, die oberhalb der Streifenelektroden (24, 25) und parallel zu diesen verlaufen (Figur 4).
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß "noppenförmige Abstandhalter (36 bis 38) vorgesehen sind (Figur 5).