DE10247404B4

DE10247404B4 - Sensor for detecting forces by size and direction and pressure measuring plate formed therefrom

Info

Publication number: DE10247404B4
Application number: DE10247404A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Köhler; Heiko Dr.-Ing. Tober
Original assignee: T & T Medilogic Medizintechnik; T & T Medilogic Medizintechnik GmbH
Current assignee: T & T Medilogic Medizintechnik; T & T Medilogic Medizintechnik GmbH
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-10-05
Also published as: DE10247404A1

Abstract

Sensor zum Erfassen von Kräften nach Größe und Richtung, bestehend aus einer Leiterbahnstruktur und einer diese kontaktierenden Widerstandsschicht mit in Abhängigkeit von einer auf diese wirkenden Kraft veränderlichem Widerstand, wobei die Leiterbahnstruktur (4) aus zwei oder mehreren konzentrisch um einen Mittelpunkt (M) angeordneten Leiterbahnsektoren (6 bis 9) gebildet ist und auf der Widerstandsschicht (5) zur Ungleichverteilung des Druckes entsprechend der Kraftrichtung eine Druckübertragungsschicht (2) aus einem elastisch verformbaren Material gehalten ist, in die zentrisch über dem Mittelpunkt (M) und im Abstand über der Widerstandsschicht (5) ein die Angriffsfläche für die Kraft (F) bildender Druckverteilungskörper (3) aus einem starren Material passgenau eingebettet ist.sensor for detecting forces Size and direction, consisting of a conductor track structure and a contacting this Resistance layer with depending from a variable force acting on this force, wherein the conductor track structure (4) of two or more concentrically around one Center (M) arranged conductor track sectors (6 to 9) formed is and on the resistance layer (5) for unequal distribution of Pressure according to the direction of force a pressure transfer layer (2) is held in an elastically deformable material into which centric about the center (M) and at a distance above the resistance layer (5) a the attack surface for the Force (F) forming pressure distribution body (3) made of a rigid material is embedded accurately.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen von Kräften, bestehend aus einer Leiterbahnstruktur und einer diese kontaktierenden Widerstandsschicht mit in Abhängigkeit von der Größe einer auf diese aufgebrachten Kraft veränderlichem Widerstand, sowie eine aus einer Mehrzahl derartiger Sensoren gebildete Druckmessplatte.The The invention relates to a sensor for detecting forces from a conductor track structure and a resistive layer contacting same with in dependence the size of one on this applied force variable resistance, as well a pressure measuring plate formed from a plurality of such sensors.

Derartige Sensoren werden beispielsweise bei Fußdruckmesssystemen angewendet. Dabei sind jeweils zwei auf einer Platine kammartig ineinander greifende zu- und abführende Leiterbahnen mit einer Widerstandsschicht bzw. -folie abgedeckt. Entsprechend der Größe der von der Fußsohle auf die Widerstandsschicht und die einzelnen Leiterbahnstrukturen ausgeübten Kräfte ändert sich der Widerstand, dessen gemessene Größe als Maß für die von bestimmten Bereichen des Fußes ausgehenden vertikalen Kräfte dient. Der Nachteil der bekannten Sensoren und auch der auf diesen basierenden Fußdruckmesssysteme besteht darin, dass zwar die vertikalen Kräfte und auch horizontale Kräfte erfasst werden können, aber die horizontalen Kräfte sich in Richtung und Stärke nicht von den vertikalen Kräften trennen lassen.such Sensors are used for example in Fußdruckmesssystemen. In each case two on a board comb-like interlocking feeding and discharging Conductor tracks covered with a resistive layer or foil. According to the size of the the sole of the foot on the resistance layer and the individual interconnect structures exerted Forces change the resistance, its measured size as a measure of that of certain areas of the foot outgoing vertical forces serves. The disadvantage of the known sensors and also on this based foot pressure measuring systems is that although the vertical forces and horizontal forces are detected can, but the horizontal forces in direction and strength do not separate from the vertical forces to let.

Ein derartiger Druckwandler wird beispielsweise in der DE 30 44 384 C2 beschrieben. Der Sensor besteht in diesem Fall aus zwei Leiterelementen und einer zwischen diesen angeordneten Widerstandsschicht. Die Kontaktflächen der Widerstandsschicht mit den Leiterbahnen sind in Form und Anzahl derart mit Vorsprüngen versehen, dass sich in normalem, unbelastetem Zustand ein hoher Ü bergangswiderstand zwischen den Leiterbahnen ergibt. Bei einer Kraftwirkung auf den Sensor bzw. die zwischen den Leiterbahnen befindliche Widerstandsschicht werden die Vorsprünge verformt, so dass sich der Widerstand entsprechend der Größe der Kraftwirkung ändert und ein mehr oder weniger großer Strom als Ausdruck der aufgebrachten Kraft oder zur Zuschaltung bzw. Steuerung einer elektrischen Vorrichtung fließen kann. Dieser Drucksensor ist jedoch nicht in der Lage, schräg oder horizontal wirkende Kräfte oder Kraftkomponenten, zum Beispiel die an den Greiferflächen einer Haltevorrichtung wirkenden Reibungskräfte beim Rutschen der Last oder die beim Abbremsen oder Beschleunigen eines Objektes wirksamen horizontalen Kräfte, richtig zu erfassen, um entsprechende Schlussfolgerungen für Steuerungsvorgänge von Gegenkräften oder konstruktive Gestaltungen, beispielsweise von Schuheinlagen, Fahrzeugsitzen, Kraftübertragungselementen und dgl., ziehen zu können.Such a pressure transducer is used for example in the DE 30 44 384 C2 described. In this case, the sensor consists of two conductor elements and a resistance layer arranged between them. The contact surfaces of the resistive layer with the conductor tracks are provided in such form and number with projections that results in a normal, unloaded state, a high transition resistance between the interconnects. With a force acting on the sensor or the resistance layer located between the tracks, the projections are deformed, so that the resistance changes according to the magnitude of the force effect and a more or less large current as an expression of the applied force or for connection or control of an electric Device can flow. However, this pressure sensor is unable to properly detect obliquely or horizontally acting forces or force components, for example the frictional forces acting on the gripper surfaces of a holding device when sliding the load or the horizontal forces acting upon deceleration or acceleration of an object, to corresponding conclusions for control operations of counter-forces or structural designs, such as shoe inserts, vehicle seats, power transmission elements and the like. To draw.

Aus den US-Patentschriften 4 766 389 und 6 188 338 sowie der GB 2 223 315 sind bereits Greif- und Tastsensoren zur Bestimmung von Scher- und Gleitkräften, das heißt auch horizontaler Kräfte, bekannt. Beispielsweise beschreibt die GB 2 223 315 eine Berührungssensoranordnung zur Ermittlung der Relativbewegung in einer Gleitkraftmesseinrichtung eines Robotersystems, die eine Wechselstromquelle, ein Widerstandsmesselement und eine Sensoranordnung umfasst. Eine erste Schicht der Sensoranordnung besteht aus mehreren Magnetwiderstandselementen, die mit dem Widerstandsmesselement verbunden sind, während eine zweite Schicht mindestens ein leitendes Element umfasst, durch das ein Wechselstrom fließt, um dadurch ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Eine Relativbewegung der beiden Schichten beim Anlegen einer Kraft auf die zweite Schicht bewirkt eine Widerstandsänderung in den Magnetwiderstandselementen, die ein Maß für die Größe und Richtung der Bewegung ist. Sowohl dieser Sensor als auch die anderen bekannten taktilen Sensoren dieser Art sind wegen ihres komplizierten Aufbaus zum einen teuer und zum anderen störanfällig.From US patents 4,766,389 and 6,188,338 and the GB 2 223 315 are already gripping and tactile sensors for the determination of shear and sliding forces, that is also horizontal forces known. For example, this describes GB 2 223 315 a touch sensor arrangement for determining the relative movement in a sliding force measuring device of a robot system comprising an alternating current source, a resistance measuring element and a sensor arrangement. A first layer of the sensor assembly consists of a plurality of magnetic resistance elements connected to the resistance measuring element, while a second layer comprises at least one conductive element through which an alternating current flows to thereby generate an alternating magnetic field. A relative movement of the two layers when a force is applied to the second layer causes a change in resistance in the magnetoresistive elements, which is a measure of the magnitude and direction of the movement. Both this sensor and the other known tactile sensors of this type are expensive because of their complicated structure and on the other susceptible to interference.

Aus der EP 0241 493 B1 ist eine mit einem in den Boden eines Druckzylinders integrierten Drucksensor betriebene Radlastmesseinrichtung bekannt. Der von einem in den Druckzylinder geführten Druckkolben ausgehende Druck wird auf den Drucksensor übertragen, um die Größe der auf den Druckkolben wirkenden Last zu messen. Es können nur senkrecht auf den Drucksensor wirkende Kräfte ermittelt werden, das heißt, die Messung schräg oder horizontal wirkender Kraftkomponenten ist nicht möglich.From the EP 0241 493 B1 a wheel load measuring device operated with a pressure sensor integrated in the bottom of a printing cylinder is known. The pressure exerted by a pressure piston guided in the pressure piston pressure is transmitted to the pressure sensor to measure the size of the load acting on the pressure piston. Only forces acting perpendicular to the pressure sensor can be determined, that is, the measurement of oblique or horizontally acting force components is not possible.

Die US 4 315 238 beschreibt einen Schalter, dem das anhand der oben erwähnten DE 30 44 384 C2 erläuterte Druckmessprinzip zugrunde liegt. Die hier kreisförmig ineinander greifenden Leiterbahnen sind nicht in der Lage, unterschiedliche Kräfte aufgrund schräger oder horizontaler Kraftwirkungen zu erfassen.The US 4,315,238 describes a switch to which the above-mentioned DE 30 44 384 C2 explained pressure measuring principle is based. The here circular interlocking tracks are not able to detect different forces due to oblique or horizontal force effects.

Bei einem aus der DE 35 02 275 A1 bekannten Kraftsensor wird die zumessende Kraft über ein gummielastisches Zwischenteil mit in diese eingebetteten Druckmesszellen, auf die ein gerade geführter Stempel wirkt, gemessen. Die Erfassung schräger oder horizontaler Kraftkomponenten ist nicht möglich.At one of the DE 35 02 275 A1 Known force sensor, the force to be measured via a rubber elastic intermediate part with embedded in this pressure measuring cells on which acts a straight guided punch measured. The detection of oblique or horizontal force components is not possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor auf der Basis der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, der in der Lage ist, die auf diesen wirkenden Kräfte und Kraftkomponenten nach Größe und Richtung zu erfassen und der zudem einfach und robust ausgebildet ist und mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.Of the Invention is based on the object, a pressure sensor on the Basis of the above-mentioned To develop species that is capable of acting on these personnel and force components by size and direction to capture and also is designed simple and robust and can be produced with little effort.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Sensor gelöst.According to the invention Task with one according to the features of the patent claim 1 trained sensor solved.

Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.Out the dependent claims There are further features and expedient embodiments of the invention.

In dem Verwendungsanspruch 9 und den auf diesen rückbezogenen Unteransprüchen ist eine bevorzugte Anwendungsvariante des nach Patentanspruch 1 ausgebildeten Sensors bei einem Fußdruckmesssystem wiedergegeben.In the use claim 9 and the dependent claims on this back a preferred application variant of the trained according to claim 1 Sensors in a foot pressure measuring system played.

Ein weiterer Verwendungsanspruch betrifft die Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors als Schaltelement von Eingabegeräten.One Another use claim relates to the application of the sensor according to the invention as a switching element of input devices.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in einer Ungleichverteilung einer nicht senkrecht auf den Sensor wirkenden Kraft auf mehrere konzentrisch angeordnete Leiterbahnabschnitte mit auf diesen angeordneter Widerstandsfolie durch einen zentrisch über der Leiterbahnanordnung in eine elastisch verformbare Matrixschicht (Druckübertragungsschicht) eingebundenen starren Druckverteilungskörper. Die auf den Druckverteilungskörper wirkende, schräg angreifende Kraft wird entsprechend ihrer Richtung über das elastisch verformbare Matrixmaterial in unterschiedlicher Größe auf die Widerstandsfolie und auf die einzelnen Leiterbahnsektionen übertragen. Aus der Differenz der dem jeweiligen Druck auf die einzelnen Leiterbahnsektionen entsprechenden unterschiedlichen Widerstandswerte können die Größe und Richtung der Kraft bzw. der Kraftkomponenten berechnet werden. Das heißt, die am Sensor schräg wirkende Kraft kann entsprechend der Anzahl der konzentrisch angeordneten Leiterbahnsektionen örtlich aufgelöst zwei oder mehrdimensional erfasst werden, so dass Brems- und Be schleunigungskräfte, Querkräfte, Scherkräfte oder Reibkräfte auf einfache Weise errechnet werden können.Of the The basic idea of the invention consists in an unequal distribution of a not perpendicular to the sensor acting force on several concentric arranged conductor track sections arranged on these resistance foil through a centric over the conductor track arrangement in an elastically deformable matrix layer (Pressure-transmitting layer) integrated rigid pressure distribution body. The acting on the pressure distribution body, obliquely attacking Force will be due to their direction over the elastically deformable Matrix material in different sizes on the resistance foil and transferred to the individual conductor track sections. From the difference the corresponding to the respective pressure on the individual conductor track sections different resistance values can be the size and direction of the force or the force components are calculated. That is, the obliquely acting on the sensor Force can be arranged according to the number of concentric Track sections locally disbanded be detected two or more dimensions, so that braking and acceleration forces, shear forces, shear forces or friction can be easily calculated.

Der erfindungsgemäße Sensor zeichnet sich durch eine unkomplizierte, flache Bauweise und seine kostengünstige Herstellung aus. Er ist zudem gegenüber äußeren Einflüssen (mechanische Einwirkungen, Feuchtigkeit) widerstandsfähig und arbeitet dementsprechend störungsfrei und kann darüber hinaus auf einfache Weise, das heißt nur mit der Vertikalkraft, kalibriert werden.Of the inventive sensor is characterized by an uncomplicated, flat design and its inexpensive Production off. He is also against external influences (mechanical effects, Moisture) resistant and works accordingly trouble-free and can about it in a simple way, that is only with the vertical force, be calibrated.

Neben den Einsatzmöglichkeiten zur ortsaufgelösten, mehrdimensionalen Messung der Kräfte, beispielsweise zur Kraftmessung im Maschinenbau und der Robotertechnik, zur Messung von Brems- und Beschleunigungskräften bei Antriebsorganen, Fahrzeugsitzen oder der Ladung von Fahrzeugen liegt ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Sensors bei Eingabegeräten, wie beispielsweise Joysticks, Touchpads, Folienschaltern oder Fußschaltern, indem entsprechend der auf den in der elastisch deformierbaren Matrixschicht (Druckübertragungsschicht) angeordneten Druckverteilungskörper in einer bestimmten Richtung wirkenden Kraft die Widerstandsfolie über den einzelnen Leiterbahnsektionen unterschiedlich stark belastet wird und dadurch unterschiedliche Schalt- oder Steuerungsvorgänge ausgelöst werden können.Next the possible uses to the spatially resolved, multidimensional measurement of forces, for example for force measurement in mechanical engineering and robotics, for measurement braking and acceleration forces in drive systems, vehicle seats or the load of vehicles Another application of the sensor according to the invention in input devices, such as for example, joysticks, touchpads, membrane switches or footswitches, by correspondingly to that in the elastically deformable matrix layer (Pressure transfer layer) arranged pressure distribution body force acting in a certain direction over the resistance foil individual conductor track sections is subjected to different levels of stress and thereby different switching or control operations are triggered can.

Schließlich können die erfindungsgemäßen Sensoren noch im Bereich der Chirurgie verwendet werden, beispielsweise beim Ersatz von Kniegelenken, die, um Schädigungen der benachbarten Gelenke zu verhindern und die Haltbarkeit zu erhöhen, exakt eingestellt werden müssen. Diese Einstellung erfolgt über die Längenkorrektur der das Gelenk umgebenden Bänder anhand der im Gelenkspalt herrschenden Kräfte, deren Größe und Richtung erfasst werden soll.Finally, the sensors according to the invention still be used in the field of surgery, for example in the Replacement of knee joints, causing damage to neighboring joints To prevent and increase the durability, be set exactly have to. This setting is made via the length correction the ligaments surrounding the joint based on the forces prevailing in the joint space, their size and direction should be recorded.

Bei der Anwendung der Erfindung kann eine Vielzahl Sensoren in einem vorgegebenen Raster in eine steife oder flexible Platte integriert sein. Dabei sind auf einer Grundplatte bzw. Leiterplatte die einzelnen Leiterbahnstrukturen und darüber zunächst eine gemeinsame Widerstandsfolie und dann eine Druckübertragungsschicht aus elastisch verformbarem Material, in die zentrisch über jeder Leiterbahnstruktur jeweils ein starrer Druckverteilungskörper eingebettet ist, angeordnet.at The application of the invention can be a variety of sensors in one predetermined grid integrated into a rigid or flexible plate be. Here are the individual on a base plate or circuit board Track structures and above first one common resistance foil and then a pressure transfer layer of elastic deformable material, in the center of each conductor track structure each a rigid pressure distribution body is embedded, arranged.

Vorzugsweise wird der vorgeschlagene Sensor in einer solchen Rasteranordnung bei Fußdruckmesssystemen angewendet, um die Kinetik und Mechanik des menschlichen Fußes beim Gehen und beim Stehen zu untersuchen. Besonders bei im Schuh angeordneten Druckmesssohlen mit einer Vielzahl in diese integrierten Sensoren der oben beschriebenen Art ist die flache, robuste und unkomplizierte Ausbildung der Sensoren von erheblichem Vorteil.Preferably the proposed sensor is in such a grid arrangement in foot pressure measuring systems applied to the kinetics and mechanics of the human foot when Walk and examine while standing. Especially when arranged in the shoe Pressure measuring soles with a variety in these integrated sensors The type described above is the flat, robust and uncomplicated Training the sensors of considerable advantage.

Bei sämtlichen Aktivitäten des menschlichen Fußes, das heißt, sowohl beim Auftreten, Abbremsen und Abstoßen in der Gehbewegung als auch beim Stehen, treten im Zusammenwirken der einzelnen Fußteile neben den mit den bekannten Fußdruckmesssystemen messbaren Vertikalkräften auch horizontale Kräfte auf.at all activities of the human foot, this means, both in appearance, deceleration and repulsion in the walking motion as even when standing, join in the interaction of the individual foot parts the with the known Fußdruckmesssystemen measurable vertical forces also horizontal forces on.

Aus der Kenntnis der an den verschiedenen Messpunkten ermittelten Kräfte und Kraftrichtungen kann der Orthopäde oder Orthopädietechniker wichtige Rückschlüsse über das Gehverhalten sowie anatomische Merkmale des Fußes des Patienten ziehen und dann entsprechende orthopädische Maßnahmen einleiten bzw. passende orthopädische Hilfsmittel in hoher Qualität zur Verfügung stellen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Sensors für die Fußdruckmessung kann sowohl bei einer Druckmessplatte, auf der der Patient wäh rend der Untersuchung steht oder geht, als auch bei unmittelbar im Schuh angebrachten Fußdruckmesssohlen erfolgen.Out the knowledge of the forces determined at the different measuring points and Force directions can the orthopedist or orthopedic technician important conclusions about the Walking behavior as well as anatomical features of the patient's foot pull and then appropriate orthopedic Take action or matching orthopedic High quality tools to disposal put. The application of the sensor according to the invention for foot pressure measurement can be used both on a pressure measuring plate, on which the patient during the Examination stands or goes, as well as directly in the shoe attached foot pressure measuring soles respectively.

In weiterer Ausbildung der Erfindung umfassen die Leiterbahnstrukturen jeweils mindestens zwei konzentrisch angeordnete Leiterbahnsektoren aus zu- und ableitenden Leiterbahnen, die kammartig miteinander verzahnt sind.In Further embodiments of the invention include the conductor track structures in each case at least two concentrically arranged conductor track sectors incoming and outgoing strip conductors, which mesh with each other like a comb are.

Die Widerstandsfolie, deren elektrischer Widerstand sich entsprechend der Größe des auf diese ausgeübten Druckes ändert, ist entweder als separates Bauelement auf der Unterlage fixiert oder kann auch in die elastisch verformbare Druckverteilungsschicht integriert sein.The Resistance foil whose electrical resistance is corresponding the size of the these exercised Pressure changes, is fixed either as a separate component on the pad or may also be in the elastically deformable pressure distribution layer be integrated.

Nach einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung ist der Druckübertragungskörper als Kreiskegel ausgebildet, dessen Spitze genau über dem Mittelpunkt der Leiterbahnstruktur liegt.To Another important feature of the invention is the pressure transmitting body as Circular cone formed whose tip just above the center of the conductor track structure lies.

Zur Erzielung einer exakten Kraftübertragung und hohen Messgenauigkeit ist – als wichtiges Erfindungsmerkmal – eine genaue Passform zwischen Druckverteilungskörper und Druckübertragungsschicht erforderlich, die dadurch erreicht wird, dass der Druckverteilungskörper in eine entsprechende Ausnehmung in der Druckübertragungsschicht eingegossen wird und in dieser erstarrt.to Achieving an exact power transmission and high measurement accuracy is - as important feature of the invention - a accurate fit between pressure distribution body and pressure transfer layer required, which is achieved in that the pressure distribution body in cast a corresponding recess in the pressure transfer layer is and solidifies in this.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberseite des Druckverteilungskörpers (Grundfläche des Kegels) als Kugelkalotte ausgebildet, um so die Richtungs- und Positionsunabhängigkeit der Krafteinleitung zu verbessern.In Another embodiment of the invention, the top of the pressure distribution body (base of the Cone) designed as a spherical cap, so the direction and position independence to improve the force application.

Dimensionierung und Materialeigenschaften des Druckverteilungskörpers und der elastischen Druckverteilungsschicht sind entspre chend der Empfindlichkeit des Sensors und der Größe der Kräfte aufeinander abgestimmt, und zwar so, dass die Spitze des Druckverteilungskörpers nicht mit der Grundplatte bzw. Widerstandsfolie in Kontakt kommen kann und somit die Kraft nicht ungemessen abgeleitet wird.dimensioning and material properties of the pressure distribution body and the elastic pressure distribution layer are accordingly the sensitivity of the sensor and the size of the forces on each other matched, in such a way that the top of the pressure distribution body not can come into contact with the base plate or resistance foil and therefore the force is not unmeasured.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckübertragungsschicht und gegebenenfalls auch die Widerstandsschicht mit Hilfe eines Halteelements formschlüssig auf der Grundplatte fixiert, beispielsweise durch einen mit der Grundplatte integral verbundenen, die Leiterbahnstruktur und die Widerstandsfolie umgebenden sowie die Druckübertragungsschicht in einem Teilbereich einfassenden umlaufenden Rand.In Advantageous embodiment of the invention are the pressure transfer layer and optionally also the resistance layer by means of a holding element form-fitting fixed on the base plate, for example by a with the Base plate integrally connected, the conductor track structure and the Resistor film surrounding and the pressure transfer layer in one Subarea bordering peripheral edge.

Bei der Anordnung einer Vielzahl von Sensoren auf einer gemeinsamen Grundplatte erfolgt die formschlüssige Fixierung der Druckverteilungsschicht mit einer gemeinsamen Lochplatte, deren Ausnehmungen die jeweilige Leiterbahnstruktur und die jeweils zugeordnete Widerstandsfolie umgeben und in die die Unterseite der einstückig ausgebildeten Druckübertragungsschicht in bestimmten Teilbereichen formschlüssig eingebettet ist. Durch diese Ausführungsform wird zudem erreicht, dass die in der Druckmessplatte benachbarten Sensoren voneinander entkoppelt werden.at the arrangement of a plurality of sensors on a common Base plate is the positive Fixation of the pressure distribution layer with a common perforated plate, their recesses the respective interconnect structure and each surrounded resistive foil and into which the bottom of the one piece trained pressure transfer layer is embedded positively in certain areas. By this embodiment is also achieved that the adjacent in the pressure measuring plate Sensors are decoupled from each other.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Druckübertragungsplatte mit den in diese eingebetteten Druckverteilungskörpern an der Oberseite mit einer flexiblen Schutzschicht abgedeckt, die eine einfache Reinigung (Desinfektion) des Sensors bzw. einer Sensorplatte, zum Beispiel Fußdruckmessplatte, ermöglicht und dem Feuchtigkeitsschutz dient.In Another embodiment of the invention is the pressure transfer plate with in these embedded pressure distribution bodies on the top with covered by a flexible protective layer, which allows easy cleaning (Disinfection) of the sensor or a sensor plate, for example Fußdruckmessplatte, allows and the moisture protection serves.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anschließend sowohl für einen einzelnen Sensor als auch für eine Sensorplatte eines Fußdruckmesssystems beschrieben. Es zeigen:embodiments of the invention are subsequently as well as a single sensor as well as a sensor plate of a Fußdruckmesssystems described. Show it:

1 eine schematische Darstellung des Erfindungsprinzips; 1 a schematic representation of the inventive principle;

2 eine vertikale Schnittansicht eines Sensors; 2 a vertical sectional view of a sensor;

3 eine Draufsicht des Sensors nach 2; 3 a plan view of the sensor after 2 ;

4 einen Horizontalschnitt des Sensors nach 2 längs der Linie A; 4 a horizontal section of the sensor after 2 along the line A;

5 einen Vertikalschnitt einer aus einer Vielzahl Sensoren gebildeten Druckmessplatte für ein Fußdruckmesssystem; 5 a vertical section of a pressure measuring plate formed from a plurality of sensors for a Fußdruckmesssystem;

6 einen Horizontalschnitt längs der Linie A der Druckmessplatte nach 5; 6 a horizontal section along the line A of the pressure plate after 5 ;

7 einen Horizontalschnitt längs der Linie B der Druckmessplatte nach 5; und 7 a horizontal section along the line B of the pressure measuring plate after 5 ; and

8 ein Fließschaubild zur Auswertung der Messdaten bei einem Fußdruckmesssystem. 8th a flow diagram for the evaluation of the measured data in a foot pressure measuring system.

1 veranschaulicht den grundlegenden Erfindungsgedanken: Auf einer als Widerlager dienenden Grundplatte (Leiterplatine) 1 ist eine elastisch verformbare Druckübertragungsschicht 2 angebracht und in die Druckübertragungsschicht 2 ist ein kegelförmiger starrer Druckverteilungskörper 3 so eingebunden, dass seine Grundfläche in Höhe der Oberfläche der Druckübertragungsschicht 2 liegt, während seine Spitze im Abstand oberhalb der Grundplatte 1 und mittig über einer auf der Grundplatte 1 angebrachten Leiterbahnstruktur 4 (siehe 2) endet. Bei einer schräg auf den Druckverteilungskörper 3 wirkenden Kraft F wird diese entsprechend der Richtung ungleich auf die Druckübertragungsschicht 2 verteilt (das heißt, in der Druckübertragungsschicht 2 entstehen Bereiche höheren Drucks 2a und geringeren Drucks 2b) und dementsprechend auf eine oberhalb der Leiterbahnstruktur 4 befindliche Widerstandsschicht 5 (siehe 2) übertragen. 1 illustrates the basic idea of the invention: on a serving as an abutment base plate (printed circuit board) 1 is an elastically deformable pressure transfer layer 2 attached and in the pressure transfer layer 2 is a conical rigid pressure distribution body 3 so bound that its base area equal to the surface of the pressure transfer layer 2 lies while its tip is spaced above the base plate 1 and centered on one on the base plate 1 attached trace structure 4 (please refer 2 ) ends. At an angle to the pressure distribution body 3 acting force F, this is according to the direction unequal to the pressure transfer layer 2 distributed (that is, in the pressure transfer layer 2 arise areas higher pressure 2a and lower pressure 2 B ) and accordingly to one above the track structure 4 located resistance layer 5 (please refer 2 ) transfer.

In den 2 bis 4 ist ein einzelner Sensor detailliert dargestellt: Die Leiterbahnstruktur 4 besteht aus vier konzentrisch um einen Mittelpunkt M angeordneten Leiterbahnsektoren 6 bis 9, die jeweils aus kammartig ineinander greifenden zuleitenden und ableitenden Leiterbahnen 10 und 11 bestehen. Aus der Zeichnung ist weiter erkennbar, dass sich die Spitze des kegelförmigen Druckverteilungskörpers 3 im Abstand oberhalb der Widerstandsschicht 5 befindet und zentrisch über der Leiterbahnstruktur 4 angeordnet ist. Die Druckübertragungsschicht 2 ist mit einem Halteelement 12, hier in Form eines umlaufenden Randes, das fest oder integral mit der Grundplatte 1 verbunden ist, formschlüssig auf der Grundplatte 1 fixiert. Das ringförmige Halteelement 12 umschließt sowohl die Leiterbahnstruktur 4 als auch die Widerstandsschicht 5. Aus 2 ist weiter ersichtlich, dass die freie Fläche des kegelförmigen Druckverteilungskörpers 3 zur Gewährleistung der Richtungs- und Positionsunabhängigkeit der Krafteinleitung als Kugelkalotte 13 ausgeführt ist.In the 2 to 4 a single sensor is shown in detail: The trace structure 4 consists of four concentric conductor sectors arranged around a center M. 6 to 9 , each of comb-like intermeshing leading and dissipating traces 10 and 11 consist. It can also be seen from the drawing that the tip of the conical pressure distribution body 3 at a distance above the resistance layer 5 located and centric over the track structure 4 is arranged. The pressure transfer layer 2 is with a retaining element 12 , here in the form of a circumferential edge, fixed or integral with the base plate 1 is connected, form-fitting on the base plate 1 fixed. The annular retaining element 12 encloses both the track structure 4 as well as the resistance layer 5 , Out 2 It can also be seen that the free area of the conical pressure distribution body 3 to ensure the direction and position independence of the introduction of force as a spherical cap 13 is executed.

Die 5 bis 7 beziehen sich auf eine Ausführungsform, bei der eine Vielzahl von in einem bestimmten Raster angeordneten Sensoren eine Druckmessplatte 14 mit einer für alle Sensoren gemeinsamen Grundplatte 15 und einem gemeinsamen Halteelement (Lochplatte 16) bildet. 6, in der die Spitze jedes Druckver teilungskörpers 3 über der Widerstandsschicht 5 innerhalb der Ausnehmungen 17 der Lochplatte 16 erkennbar ist, verdeutlicht die zentrische Anordnung des Druckverteilungskörpers 3 über der Widerstandsfolie 5 und der jeweiligen Leiterbahnstruktur 4. Das Halteelement ist eine Lochplatte 16 mit kreisförmigen Ausnehmungen 17, die die jeweilige Leiterbahnstruktur 4 und die jeweilige Widerstandsschicht (Widerstandsfolie) 5 des jeweiligen Sensors umfassen. In den Ausnehmungen 17 ist die Druckübertragungsschicht 2, die hier als einstückige gemeinsame Druckübertragungsschicht 19 ausgebildet ist und die der Größe der Ausnehmungen 17 entsprechende Vorsprünge aufweist, formschlüssig gehalten. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Druckübertragungsschicht auf andere Weise formschlüssig oder auch kraftschlüssig zu fixieren. Die Widerstandsschicht 5 kann auch als gemeinsame – einstückige – Folie ausgebildet sein oder auch in die Unterseite der Druckübertragungsschicht 2 integriert sein, beispielsweise durch Dotierung der Druckübertragungsschicht 2 mit Kohlenstoff o.ä.The 5 to 7 refer to an embodiment in which a plurality of arranged in a certain grid sensors, a pressure measuring plate 14 with a base plate common to all sensors 15 and a common holding element (perforated plate 16 ). 6 in which the tip of each pressure distribution body 3 over the resistance layer 5 within the recesses 17 the perforated plate 16 can be seen, illustrates the centric arrangement of the pressure distribution body 3 over the resistance foil 5 and the respective interconnect structure 4 , The holding element is a perforated plate 16 with circular recesses 17 that the respective interconnect structure 4 and the respective resistance layer (resistance foil) 5 of the respective sensor. In the recesses 17 is the pressure transfer layer 2 , here as a one-piece common pressure transfer layer 19 is formed and the size of the recesses 17 having corresponding projections, held positively. Of course, it is also conceivable to fix the pressure-transmitting layer in another way in a form-fitting or force-locking manner. The resistance layer 5 may also be formed as a common - one-piece - foil or in the bottom of the pressure transfer layer 2 be integrated, for example by doping the pressure transfer layer 2 with carbon or similar

Aus 5 ist weiter erkennbar, dass die zu einer Druckmessplatte 14 zusammengefassten Sensoren mit einer flexiblen Schutzschicht 18 abgedeckt sind, um eine einfache Reinigung oder Desinfektion, gleichzeitig aber auch einen Feuchtigkeitsschutz, zu gewährleisten. Die gemeinsame Grundplatte 15 und die Lochplatte (gemeinsames Halteelement) 16 können starr oder flexibel ausgeführt sein.Out 5 is further evident that the to a pressure measuring plate 14 combined sensors with a flexible protective layer 18 are covered to ensure easy cleaning or disinfection, but at the same time a moisture protection. The common base plate 15 and the perforated plate (common holding element) 16 can be rigid or flexible.

Die Verwendung des Sensors oder der aus mehreren Sensoren gefertigten Druckmessplatte 14 erfolgt gemäß dem in 8 wiedergegebenen Fließschema. Die an jedem Leiterbahnsektor 6 bis 9 aufgrund der unterschiedlichen Druckbelastung herrschenden Widerstandswerte werden gemessen und daraus werden auf der Grundlage einer Kalibriertabelle unter Berücksichtigung einer vertikalen Kalibrie rung die Druckwerte berechnet. Anschließend werden aus der Position der Leiterbahnsektoren und der Druckwerte die Druckschwerpunkte berechnet, um daraus die Größe und Richtung der Kraftkomponenten zu ermitteln.The use of the sensor or the pressure measuring plate made up of several sensors 14 is carried out according to the in 8th reproduced flow chart. The at each track sector 6 to 9 Based on the different pressure load prevailing resistance values are measured and from this the pressure values are calculated on the basis of a calibration table, taking into account a vertical calibration. Subsequently, the pressure centers are calculated from the position of the conductor track sectors and the pressure values in order to determine the size and direction of the force components.

11: Grundplatte (Leiterplatte)baseplate (Circuit board)
22: elastische Druckübertragungsschichtelastic Pressure transmission layer
2a2a: Bereich höheren DruckesArea higher pressure
2b2 B: Bereich geringeren DruckesArea lower pressure
33: starrer Druckverteilungskörperrigid Pressure distribution body
44: LeiterbahnstrukturConductor structure
55: Widerstandsschicht (-folie)resistance layer (-foil)
6 bis 96 till 9: LeiterbahnsektorenInterconnect sectors
1010: zuleitende Leiterbahnafferent conductor path
1111: ableitende Leiterbahndissipative conductor path
1212: Halteelementretaining element
1313: Kugelkalottespherical cap
1414: DruckmessplattePressure Measurement
1515: gemeinsame Grundplattecommon baseplate
1616: Lochplatte (gemeinsames Halteelement)perforated plate (common holding element)
1717: Ausnehmungrecess
1818: flexible Schutzschichtflexible protective layer
1919: gemeinsame, einstückige Druckübertragungsschichtcommon one-piece Pressure transmission layer
FF: Kraft, KraftrichtungForce, direction of force
MM: MittelpunktFocus

Claims

Sensor for detecting forces according to size and direction, consisting of a conductor track structure and a resistive layer contacting the same, with a resistance variable as a function of a force acting thereon, the track structure ( 4 ) of two or more interconnect sectors concentrically about a midpoint (M) ( 6 to 9 ) and on the resistance layer ( 5 ) for unequal distribution of the pressure according to the direction of force a pressure transfer layer ( 2 ) is held in an elastically deformable material, in the center of the center (M) and at a distance above the resistance layer ( 5 ) a pressure surface for the force (F) forming pressure distribution body ( 3 ) from a rigid material is embedded precisely.

Sensor according to claim 1, characterized in that the pressure distribution body ( 3 ) as a circular cone with the resistance layer ( 5 ) pointing tip is formed.

Sensor according to claim 2, characterized in that the pressure distribution body ( 3 ) as a spherical cap ( 13 ) or also as an ellipsoid or cone-shaped base surface, which extends over the upper plane of the pressure-transmitting layer (FIG. 2 ) protrudes or sunk in the pressure transfer layer, wherein the resulting cavity in this case is filled.

Sensor according to claim 2 or 3, characterized in that the pressure distribution body ( 3 ) to achieve its precise embedding in a corresponding to its conical shape formed recess in the pressure transfer layer ( 2 ) is poured in and solidified therein.

Sensor according to claim 1, characterized in that the conductor track structure ( 4 ), the resistance layer ( 5 ) and the pressure transfer layer ( 2 ) on a base plate ( 1 ) are fixed.

Sensor according to claim 5, characterized in that the pressure transfer layer ( 2 ) by a retaining element ( 12 ) on the base plate ( 1 ) is positively fixed.

Sensor according to claim 6, characterized in that the retaining element ( 12 ) a recess ( 17 ) forming the printed conductor structure ( 4 ) and the resistance layer ( 5 ) and a lower part of the pressure transfer layer ( 2 ).

Sensor according to claim 1, characterized in that the individual conductor track sectors ( 6 to 9 ) of the conductor track structure ( 4 ) in the pattern of circular sectors with comb-like interlocking incoming and outgoing conductor tracks ( 10 . 11 ) are formed.

Pressure measuring plate using the sensor according to claim 1 to 8, for determining the size and direction of forces acting on a surface, in particular for foot pressure measurement, characterized in that a plurality of sensors in a predetermined grid on a common base plate ( 15 ) is arranged and the retaining element ( 12 ) as a perforated plate ( 16 ) with a plurality of recesses ( 17 ) is formed according to the sensor raster and a common for all sensors, in the recesses ( 17 ) positively held ne, elastically deformable pressure transfer layer ( 19 ) with rigid pressure distribution bodies (in accordance with the raster format) ( 3 ) is provided.

Pressure measuring plate according to claim 9, characterized in that the holding plate forming the perforated plate ( 16 ) in the common base plate ( 15 ) is integrated.

Pressure measuring plate according to claim 9 or 10, characterized in that the perforated plate ( 16 ) and the base plate ( 15 ) are rigid or flexible.

Pressure measuring plate according to claim 9, characterized in that on the pressure transfer layer ( 19 ) and the pressure distribution bodies ( 3 ) a flexible protective layer ( 18 ) is attached.

Use of the sensor according to one of claims 1 to 8 as an input device, like joystick, touchpad, membrane switch or footswitch.