WO2009023888A2 - Drucksensitive koordinatenmessvorrichtung - Google Patents

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WO2009023888A2
WO2009023888A2 PCT/AT2008/000294 AT2008000294W WO2009023888A2 WO 2009023888 A2 WO2009023888 A2 WO 2009023888A2 AT 2008000294 W AT2008000294 W AT 2008000294W WO 2009023888 A2 WO2009023888 A2 WO 2009023888A2
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electrodes
pressure
coordinate measuring
electrode arrangement
measuring device
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Andreas Tanda
Marjanovic Nenad
Alberto Montaigne
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0414—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using force sensing means to determine a position
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
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    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0447—Position sensing using the local deformation of sensor cells

Definitions

  • the invention relates to a pressure-sensitive coordinate measuring machine comprising at least one carrier layer and at least one first and second electrode arrangement, wherein the carrier layer is formed from an elastically recoverable deformable material and has two flat sides, which are arranged substantially parallel to each other and are spaced apart by the thickness of the layer , and wherein the first electrode arrangement is formed by at least two electrically insulated electrodes and is arranged on the first flat side of the carrier layer and wherein the second electrode arrangement is formed by at least one electrode, and is arranged on the second flat side of the carrier layer.
  • the invention further relates to a method for determining the position and intensity of a force on a pressure-sensitive coordinate measuring machine wherein a force on the polymer foam causes a change in the electrical properties of the foam.
  • switching elements can be arranged in or on the carrier layer which close a contact with a force acting on the carrier layer and thus on the basis of the knowledge of the position of the closed contact, the position of the acting force can be determined directly.
  • This method uses mechanical switching elements, which is disadvantageous in terms of a long, trouble-free and maintenance-free as possible operation of the position detection device.
  • Another disadvantage is that such devices usually require a significantly higher manufacturing costs, since mechanical switching elements are usually constructed complex or consist of a plurality of parts and thus difficult to manufacture automated.
  • a further problem is when special encapsulation of the position detection device is required in order to use the device in certain environments that require increased protection, for example, in a chemically aggressive environment or in an ex-environment. Therefore, preference should be given to those devices for determining the position of an acting force, which manage without moving parts.
  • optical methods for determining the position of a force In this case, light-emitting and light-receiving devices are arranged in the edge regions of the portion of the carrier layer, the position detection takes place here by raster-like querying of the contact surface by the light receiving device.
  • Other non-contact methods use, for example, electromagnetic waves or sound waves, in particular ultrasound, where the position of a force can be calculated from the detected wave pattern.
  • Another method uses the mechanical effects of a force on a position-determining material.
  • a force on a material leads to microscopic changes in the material tension inside the material.
  • these voltages can be visualized by illuminating with a light of a characteristic design.
  • these voltage lines are recorded by an image capture device and the position of the applied force is determined by an evaluation device.
  • CA 2 355 434 A1 discloses a coordinate field with which the position and strength of the applied force can be determined.
  • the touchpad is formed by individual, discrete pressure-sensitive elements which are arranged between two cover plates.
  • a force acting on a cover plate of the touch panel causes a local deformation in the underlying pressure-sensitive element, which results in a change in the electrical resistance of the pressure-sensitive element, wherein the change in the resistance is greater, the greater the force acting.
  • DE 103 04 704 A1 discloses a data input device which comprises a touch panel for position input, which is mounted so as to be tiltable in a housing.
  • the touchpad is held in its upper resting position by the rest position of several buttons.
  • the position determination takes place by contact of an object with the touchpad.
  • the force on the touch pad is amplified, at least one of the buttons closes.
  • a function stored for this position can be activated.
  • the pressure point of a switch must be overcome; stepless force determination is not possible.
  • US 2007/0052691 A1 also discloses a touchpad with a plurality of underneath. Neten switches. The touchpad is in turn held by the rest position of the switch in its upper rest position and upon application of force one or more switch contacts are closed. By means of a suitable arrangement of the switches and corresponding evaluation of the individual contact inputs, it is possible to determine several force action positions.
  • US 5,854,625 A discloses a similar arrangement, but instead of the switch, air capacitors are arranged.
  • the cover layer is supported in a sturdy frame in such a way that a fixed distance between the two capacitor plates is ensured at rest. A force on the contact element thus leads to a change in the distance of the capacitor plates, which changes their capacity. From this capacity change, the strength of the applied force can be calculated.
  • the object of the invention is therefore to provide a Bermmfeld with which in addition to the position of at least one acting force can also determine the strength of the applied force.
  • the Berlickfeld should be constructed without mechanically moving, in particular without contact components.
  • a further object of the invention is to find a method with which the position and strength of at least one force acting on a touchpad can be determined at the same time.
  • the object of the invention is achieved inter alia by designing an evaluation device for measuring the electrical characteristics of the electrodes of the first electrode arrangement and for measuring the electrical characteristics of the electrodes of the first and second electrode arrangements.
  • This has the very special advantage that at the same time at least one position in the plane of the first electrode arrangement and the strength of the force acting on this at least one position can be determined.
  • the measuring device according to the invention a determination of the position and force measurement without switching the electrodes or without a time offset between the two measurements possible.
  • the object of the invention is achieved in that the carrier layer is formed by a polymer foam.
  • the electrical properties of such a foam can be influenced in an advantageous manner even after the production of the foam.
  • the sensitivity of the force measurement can be specifically adapted to the desired field of application.
  • a design of the carrier layer has as one
  • Foam material in particular as a polymer foam has the advantage that this gives the operator a retroactive effect through a sensation of pressure.
  • Foam material in addition to the two-dimensional position input, which allows a direct feedback on the desired position input by moving an object over the contact surface eg. A finger, now also allows a tactile deformation of the foam material advantageously a subjective detection of the coordinate input in the third dimension.
  • the polymer foam is closed-cell or open-celled or formed from a material from the group comprising polypropylene or polyethylene.
  • Polymer foams have the particular advantage that they are inexpensive and are environmentally friendly to produce and dispose of.
  • the polymer foam may also be extruded, for example, from a material of the group comprising ethylene copolymer, polyamide 6 (nylon 6), PVDF (Kynar (R)), ethylene vinyl acetate copolymer, polyurethane, expandable polystyrene EPS (Neopor (R)) Polystyrene XPS (Styrodur (R), Peripor (R)) or melamine resin (Basotect (R)), this list is not restrictive to read.
  • a material of the group comprising ethylene copolymer, polyamide 6 (nylon 6), PVDF (Kynar (R)), ethylene vinyl acetate copolymer, polyurethane, expandable polystyrene EPS (Neopor (R)) Polystyrene XPS (Styrodur (R), Peripor (R)) or melamine resin (Basotect (R)), this list is not restrictive to read.
  • the minimum capacitance of a capacitor which is formed by the electrodes of the first electrode arrangement or by the electrodes of the first and second electrode arrangement is greater than 4fF, even the smallest deformations, which cause a change in the capacitance, can be determined with known measuring methods for the determination of the capacity.
  • the electrodes of the first and / or second electrode arrangement can be applied directly to the flat sides of the carrier layer. Furthermore, there is the possibility that on the First and / or second flat side of the carrier layer, a separation layer is applied, wherein the first and / or second electrode assembly is subsequently applied to this separation layer.
  • This separation layer may for example be designed to be electrically insulating, as a result of which the applied electrodes of the first and / or second electrode arrangement are electrically insulated from the underlying carrier layer. Furthermore, by means of the strength or rigidity of the separation layer, a bending stiffness of the coordinate measuring device can be realized in a targeted manner. This is of particular importance if, for example, it is to be expected that a high area of force can occur on a small surface area, for example a punctiform force attack, and this force effect could possibly damage the carrier layer. A correspondingly formed separation layer distributes the acting punctiform force over a larger section and thus relieves the underlying carrier layer.
  • the electrodes of the first electrode arrangement and of the electric field of the electrodes of the first and second electrode arrangement can be formed by the separation layer for the purpose of selectively influencing the field of the electric field.
  • the separation layer can be designed such that it is suitable for the delivery or forwarding of electromagnetic radiation in the visible optical region. This allows, for example, realize a backlight of the keypad.
  • the electrodes are formed from polyethylene dioxythiophene (PE-DOT).
  • PE-DOT polyethylene dioxythiophene
  • This material is an electrically conductive polymer and thus belongs to the organic materials.
  • organic materials have the significant advantage that both the production and the disposal brings only a low environmental impact.
  • organic materials are mostly in an aggregate state, which brings significant advantages for the production.
  • manufacturing methods or methods can be used that would not be possible with metallic conductors.
  • the electrodes can be applied to the flat side of the carrier layer or to the protective layer by means of a printing process.
  • the electrodes can also be formed from polyaniline (PANI) or polystyrene sulfonate (PSS).
  • the electrodes are formed of a transparent conductive material.
  • transparent electrodes formed of indium-tin oxide (ITO) enable the coordinate measuring apparatus to be no longer directly recognizable to a user as the electrodes are no longer apparent.
  • Transparent electrodes also allow an unobstructed view of the separation layer or the flat side of the carrier layer.
  • a control panel is formed, for example. By imprinting on the separation layer, wherein the electrodes arranged thereon do not cover the elements of this panel and thus an unobstructed supervision of the control panel is possible.
  • Electrodes are formed from a translucent metal layer, a particularly good current supply or discharge and contact with the separation layer or the flat side of the carrier layer is advantageously achieved.
  • Such formed electrodes may be formed of a material selected from the group consisting of gold, silver, chromium, copper and aluminum.
  • the thickness of the electrodes is in the range of 3 nm to 1 ⁇ m, and is typically 100 nm, a usually non-transparent metal layer becomes translucent. This has the advantage that the portions of the separation layer or of the flat side of the carrier layer situated below the electrode shine through the electrode and, in addition, high electron conductivity of the metallic electrode is achieved.
  • Interlocking finger electrodes allow, for example, the realization of a slide, with segmented electrodes arranged, for example, multiway switch can be realized.
  • the resolution of the coordinate measuring device can be set defined. Due to the advantageous properties of the electrode material with regard to the use of different production methods, the achievable resolution of the coordinate measuring device thus depends on the fineness of the structures which can be produced in terms of production technology.
  • the electrodes of the first and second electrode arrangement may be structured.
  • a / D converters and signal sources are widely used in electronic circuit technology, are often used and are therefore usually very inexpensive available.
  • An evaluation device which is formed from a signal source and at least one A / D converter, is therefore usually also relatively inexpensive to implement, which is advantageous in view of a widespread use of the coordinate measuring device.
  • the signal source is designed to emit an electrical alternating signal with a frequency in the range of IkHz to IMHz, preferably a frequency of 25OkHz.
  • the resolution accuracy and resolution of the A / D converter can be adapted in an advantageous manner exactly to the requirements of the capacitance measurement.
  • a functionally simple measurement of a capacitance change can be realized by means of a signal source and an A / D converter, for example by determining the changing time constants.
  • such electronic components can usually be extremely highly integrated, such integrated circuits can be made compact and space-saving.
  • the signal source and the A / D converter can be formed from organic semiconductors.
  • Components made of organic semiconductors can be produced particularly inexpensively and have decisive advantages with regard to the environmental problems in the production and disposal.
  • the objective coordinate measuring device it is provided that mechanical contact or force is applied to at least one of the flat sides or the surfaces. A force and possibly also a movement on these surfaces can, however, damage or destroy the electrodes arranged thereon of the first and / or second electrode arrangement. If a protective layer is applied to the first and / or second electrode arrangement, direct contact of the acting force with the electrodes of the electrode arrangement and / or the flat sides of the carrier layer and / or the separation layer not covered by electrodes is advantageously prevented.
  • this protective layer can cover the entire coordinate measuring device completely, ie on the electrode arrangements, on the separation layer or on the flat sides of the carrier layer, which are not covered by the electrode arrangement and which are attached to the front side edges.
  • the protective layer can also be applied only in sections, thus covering, for example, only the portion of the electrodes of the first and / or second electrode arrangement.
  • this protective layer can fully enclose the coordinate measuring device and thus form a hermetic encapsulation of the measuring device. This is particularly advantageous if the measuring device is to be used under particularly difficult environmental conditions.
  • a further layer in particular a functional layer can be applied.
  • This functional layer can expand the advantageous intrinsic shadows of the protective layer and / or offer an advantageous development with regard to the design possibilities.
  • this functional layer can be designed to simplify the attachment of design elements such as logo imprints and / or operating elements, so that these elements can be printed, for example, by an inkjet printing process.
  • the protective layer is formed of a non-conductive material. With such a training, the protection layer are applied directly to the electrodes of the electrode assemblies or on the supply and discharge lines, since no further precautions need to be taken with regard to the electrical insulation.
  • Another advantage of an electrically non-conductive protective layer is that this protective layer also provides an electrically insulating protection of the coordinate measuring device against the environment, which also has the advantage that no additional insulation measures are required in this case.
  • the protective layer can be formed, for example, from an organic material.
  • organic materials with regard to their environmental compatibility thus also apply to a protective layer formed in this way.
  • the protective layer is resistant to environmental influences.
  • Environmental influences can z. B. (without claim to completeness): moisture, water, temperature, UV light and air (oxygen).
  • the protective layer for example, also have an increased abrasion resistance and thus also allows use in areas where increased mechanical stress, increased dust pollution and generally with the risk of improper operation is expected.
  • the protective layer is designed such that it meets the high hygienic standards in the medical field and thus also survives the disinfection process used in this area unscathed.
  • An electrode arrangement can be structured, for example, to form special contact or switching elements. If at least one further electrode arrangement is applied to the first and / or second electrode arrangement, a completely different structure of the operating elements can be formed with this further electrode arrangement. This makes it possible, for example, to be able to carry out both very coarse position determinations as well as very finely resolved or specially designed position detections with a coordinate measuring device. To avoid disturbing influences, the further electric electrode arrangement with respect to the underlying electrode assembly electrically isolated.
  • the object of the invention is also achieved by a method, wherein an evaluation device detects the change in the capacitance of the electrodes of the first electrode arrangement and further detects the change in the capacitance of the electrodes of the first and second electrode arrangement.
  • an approach of an object to the electrodes of the first electrode arrangement leads to a change in the detected capacitance between these electrodes. From the measurement of this capacitance change, the position of the object can thus be determined.
  • the position of the object can thus be determined.
  • not only the position of an object can be determined, but can also detect a correspondingly fine structuring several, especially a plurality of objects in their position.
  • a force on the coordinate measuring device leads to a small deformation in the region of the point of force application.
  • this deformation also causes a change in the capacitance of the electrodes of the first and second electrode arrangements, which are arranged in the section of the coordinate measuring device influenced by the force.
  • the intensity or strength of the acting force can thus advantageously be determined.
  • a significant advantage is obtained when the evaluation device is activated by a force acting on the polymer foam. Electrical energy is needed to determine the capacitance change, therefore, it is of crucial advantage in terms of energy efficiency if the capacitance change detection is performed only when in contact with the coordinate measuring machine.
  • the eligible According trained measuring device is therefore at rest, in which it has only a low power consumption.
  • an electric signal is emitted from the polymer foam, which activates the evaluation. For example, a slight tap in any pressure-sensitive section of the coordinate measuring machine is sufficient as a force for activation.
  • an acting force causes a change in the capacitance of a plurality of electrodes arranged in this section, from which a direction vector can be calculated.
  • FIG. 1 shows a sectional view of the pressure-sensitive coordinate measuring device according to the invention
  • FIG. 2 shows a greatly simplified electrical equivalent circuit diagram of the individual capacitances of the pressure-sensitive coordinate measuring device
  • Fig. 5 a shows the influence of the electric field of the first electrode arrangement when an object approaches; b) shows the influence of the electric field of the first and second electrode assembly upon a force on the surface.
  • a pressure-sensitive coordinate measuring device 1 comprising a carrier layer 2 and a first 3 and second 4 electrode arrangement.
  • a separation layer 7 is applied on the first 5 and second 6 flat side of the carrier layer 2.
  • the electrodes 8 of the first electrode arrangement 3 and the electrodes 9 of the second electrode arrangement 4 are arranged on the separation layer 7.
  • the arrangement may be coated by a protective layer 10, wherein the protective layer over the entire surface, so be arranged on the electrode assemblies, the front side edges of the carrier layer and the separation layer.
  • the protective layer can also be arranged only in sections, for example only on the electrode arrangements, or over other discrete sections. Not shown are the electrically conductive connection lines for connecting the electrodes with, also not shown, evaluation device.
  • the electrodes 8 of the first electrode arrangement 3 and the electrodes 9 of the second electrode arrangement 4 are formed from an electrically conductive material and arranged on the separation layer 7 and / or on the flat sides 5, 6 of the carrier layer 2 such that there is no electrically conductive connection of the individual electrodes can come. If, for example, a polymer foam is used as carrier layer 2, then the separation layer 7 serves to isolate the electrodes from the conductive carrier layer.
  • the electrodes of the first and / or second electrode arrangement may be formed, for example, transparent or semitransparent. Therefore, one appears the separation layer 7 applied print image, such as controls and keypads, through the electrodes of the electrode assemblies through.
  • This has the particular advantage that keys or control panels can be formed quickly and easily in this way, whereby different operating characteristics can be realized by different design or arrangement of the electrodes of the electrode arrangements. For example, training as a button, knob and slider are possible.
  • the pressure-sensitive coordinate measuring device is not limited to the embodiment described here.
  • a plurality of separation layers 7 can be arranged between the electrode arrangements and the carrier layer, wherein each separation layer is designed for a different task.
  • the separation layer can serve as an adhesion promoter for the electrodes to be applied thereto.
  • the separation layer can also serve as a smoothing layer, since such polymer foams have an uneven surface and can have depressions in particular.
  • electrodes it is now advantageous if they can be applied to a surface that is as flat as possible.
  • the pressure-sensitive coordinate measuring device is not limited to just one electrode arrangement per flat side of the carrier layer.
  • at least one further electrode arrangement can be arranged, for example, electrically insulated from the first and / or second electrode arrangement.
  • the electrodes of the further electrode arrangement may be formed over a large area, for example, so that only a low local resolution but a high sensitivity is achieved.
  • the measurement of the capacitance change is usually done by measuring the time constant of the decaying alternating signal.
  • the further electrode arrangement can serve to be able to determine the direction of the acting force.
  • a protective layer 10 may be applied, which offers increased protection with regard to mechanical loading by an operating means.
  • the entire coordinate measuring device and thus also the sections already covered by a protective layer can subsequently be covered with a further protective layer for the purpose of surface sealing.
  • a protective layer can also be designed as a display element and thus an optional and individually customizable representation of controls and / or allow.
  • the protective layer can also be embodied as a luminous means and thus, for example, serve as background illumination for applied inscriptions.
  • the carrier layer 2, the electrodes 8, 9 of the electrode arrangements 3, 4 and optionally applied separation or protection layers 10 are designed to be flexible. This has the very special advantage that it can also be arranged on non-planar contact surfaces according to the invention pressure-sensitive coordinate measuring device. In particular, however, a continuous, dynamic deformation of the measuring device does not lead to any damage of the same.
  • the second electrode arrangement 4 is formed by an electrode 9.
  • a first capacitance 11 represents the capacitance between the electrodes 8 of the first electrode arrangement 3.
  • Further capacitances 12 represent the capacitances which form between the electrodes 8 of the first electrode arrangement 3 and the electrode 9 of the second electrode arrangement 4.
  • an electric field will be formed between the electrodes.
  • the field of the first electrode arrangement will form substantially in the air, between the first and second electrode arrangement, the field will form substantially in the carrier layer.
  • FIG. 3 now shows a coordinate measuring device according to the invention with a plurality of differently designed electrode arrangements, FIG. 3 a showing the plan view of the first electrode arrangements and FIG. 3b the plan view of the second electrode arrangements.
  • the electrode arrangements are designed as switches or pushbuttons 13, as multiway switches 14 and as slides 15. Not shown in the figure, the required for measuring the capacitance change evaluation device.
  • the electrodes 8 of the electrode assemblies are connected via connecting lines 16 with this evaluation device.
  • An inventively designed switch or button 13 now offers the very decisive advantage that a much faster and more reliable detection of the desired function is possible.
  • a desired contact is usually recognized by a longer residence time of the contact-giving object over the electrode arrangement of the switch or pushbutton.
  • the operator In the case of such an input field, which is to be operated, for example, with a finger, the operator must allow his finger to rest on an input field for a certain time, so that the contact can be recognized by the evaluation device. This period of time is required because otherwise a contact would be triggered when moving the input object on the individual panels.
  • the pressure-sensitive coordinate measuring device now offers the very special advantage that the contacting, similar to how an operator is accustomed to a keyboard, takes place by pressure on the input element. As a result, a considerably higher input speed is possible and, moreover, an erroneous contact is avoided by unintentionally lingering over an input element.
  • an operator can, for example, also be given a subjective feeling of pressure.
  • a multi-way switch 14 can be realized.
  • Such an operating element can be used, for example, to control a gripping arm.
  • the positioning in a first coordinate plane is effected by determining the position of an input means relative to the electrodes of the multi-way switch 14.
  • the movement of the gripper arm to be controlled in a further coordinate Direction is then carried out by determining the force exerted on the multiway switch pressure.
  • a joystick be connected, with a combined position and force can be exerted on the multi-way switching element.
  • a further advantageous embodiment is obtained when a control element, such as a joystick, is positively connected to a multi-way switch according to the invention.
  • Such a joystick has a plurality of contacting means, with whose capacity-influencing effect when approaching the electrodes, the position of the contact in the first coordinate plane is determined.
  • a force on the carrier layer leads to a local deformation of the same and thereby to a change in the capacitance value between the electrodes applied thereon. This change in capacitance occurs both in a positive, ie pushing force, as well as in a negative, acting as a pulling force. If the joystick is now non-positively connected to the multi-way switching element, both pressure and tensile forces can be applied to the switching element and thus advantageously achieve a further degree of freedom of the control options.
  • a slider 15 By interlocking finger electrodes, a slider 15 can be formed. With such a slide, for example, a gripping arm or a pointing element can be moved in a coordinate direction. Due to the advantageous embodiment of the invention, the pressure exerted on the slider pressure can now be used to determine a further coordinate information. For example, the pressure that the contactor object has on the slider can be used to influence the speed of the object to be controlled. As a result, it is advantageously possible, for example, to achieve a very fine and hence very accurate positioning of the object to be controlled by exerting a very low pressure and to achieve a significantly higher control speed of the object by exerting a larger contact pressure with the slider element.
  • Fig. 3b shows a plan view of the underside of the coordinate measuring device, on which the electrodes 9 of the second electrode arrangements are used up.
  • the counter electrode of the switch or pushbutton 17 and the counterelectrode of the slider 18 are here designed as a planar electrode 9, the counterelectrodes of the multiway switch 19 are two divided educated. In further embodiments, however, these counterelectrodes can also be structured in order to allow further advantageous measuring characteristics.
  • These electrodes are in turn connected via connecting lines 16 with the evaluation device, not shown.
  • the pressure-sensitive coordinate measuring device thus makes it possible to provide a plurality of operating functions with an appropriately designed operating element.
  • a significant advantage of the coordinate measuring device according to the invention is that at the same time a position determination and the determination of locally acting forces is possible.
  • the coordinate measuring device according to the invention can be designed, for example, to determine a load profile.
  • One advantage of the coordinate measuring device according to the invention is that it can be produced very inexpensively, even over a large area.
  • a large-scale measuring device can, for example, for determining the coordinate measuring device according to the invention
  • the carrier layer may for example be designed such that it emits an electrical signal when a force is applied, for example an electrical voltage that wakes a correspondingly designed evaluation device from a power-saving mode.
  • a force for example an electrical voltage that wakes a correspondingly designed evaluation device from a power-saving mode.
  • Such a design has the very special advantage that the energy-consuming measurement of the capacitance changes only takes place if this has been triggered by the operator or by an applied force.
  • the evaluation device After carrying out the measurement or after a predetermined time, the evaluation device is automatically placed in a power saving mode, which brings a decisive advantage in terms of the expected operating time, especially for non-mains powered devices.
  • the carrier layer can be designed such that it can generate a force return effect.
  • an operator can advantageously be informed immediately which forces occur at the remote controlled device. If, for example, a device is moved over a surface, the nature of the surface on the operating object, for example the operator's finger, can be actively reported back.
  • FIG. 4 shows, in a greatly simplified pressure-sensitive measuring device, the distribution of the electric field that will occur during the measurement of the capacitance or of the capacitance change.
  • the signal source 20 is designed to generate an electrical alternating voltage, in particular a DC voltage-free alternating signal having a frequency which is typically in the range of IkHz to IMHz.
  • the signal source is electrically conductively connected to an electrode 8 of the first electrode arrangement 3.
  • the two other electrodes 8 of the first electrode arrangement 3 and the electrode 9 of the second electrode arrangement 4 are electrically conductively connected to the evaluation device 21, in particular to a signal converter 27.
  • a first electric field 22 forms between the electrodes of the first electrode arrangement 3. Also between the driven electrode of the first electrode arrangement 3 and the electrode 9 of the second electrode arrangement 4, a second electric field 23 is formed in the material of the carrier layer 2.
  • the measurement of the capacitance or the capacitance change takes place by a conventional method, for example by determining the time constants. In this case, it is determined by each signal acquisition module 21 how quickly the alternating signal generated by the signal source drops off at the electrode monitored by the signal acquisition module. Using a standard calculation method, the capacitance can now be calculated from this cooldown and used as a reference value for a change in the cooldown and, associated with this, a change in capacitance. To simplify the illustration, neither a separation layer nor a protective layer is shown in FIG. 4. The following description also applies mutatis mutandis to at least one applied separation layer and / or at least one applied protective layer.
  • 5a shows an approximation or pressureless contact of an object 24 with the first electrode arrangement 3, wherein the approximation of the object 24 leads to a distortion of the electric field 25.
  • FIG. 5 b shows the resulting field influence when the object 24 applies pressure to a portion of the coordinate measuring apparatus 1.
  • the position of the object approaching or touching the electrode arrangement can now be determined unambiguously by measuring the change in the capacitance values of the first capacitances.
  • a determination of the intensity of the action of force is possible by measuring by changing the capacitance values of the second capacitances.
  • both the electrodes of the first electrode order and the electrodes of the second electrode arrangement may be structured.
  • an advantageous embodiment is conceivable in which, in addition to the position of the contact input in the plane of the first electrode arrangement and the determination of the applied force, the direction of the applied force is also determined. Since an electric field causes local distortions of the electric field in the material of the carrier layer, a directional vector of the acting force can be determined by correspondingly structured electrodes of the second electrode arrangement.
  • a further advantageous embodiment is obtained if the connection of the electrodes with the signal source or the electrodes with the signal acquisition modules can be changed during the measurement.
  • a corresponding switching or assignment module it is possible to realize various measuring ranges or measuring characteristics.
  • a plurality of electrodes can thus be interconnected to form a single electrode in order to increase the measuring sensitivity.
  • the exemplary embodiments show possible embodiments of the pressure-sensitive coordinate measuring device wherein it should be noted that the invention is not limited to the specifically illustrated embodiments thereof, but rather various combinations of the individual embodiments are possible with each other and this variation possibility due to the teaching of technical action by objective invention in the skill of those skilled in this technical field. So are all conceivable embodiments, which are possible by combinations of individual details of the illustrated and described embodiment variant, includes the scope of protection.
  • FIGS. 1 to 5b can form the subject of independent solutions according to the invention.
  • the relevant objects and solutions according to the invention can be found in the detailed descriptions of these figures.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine drucksensitive Koordinaterimessvorrichtung (1) umfassend zumindest eine elastisch rückstellbar verformbare Trägerlage (2) und zumindest eine erste (3) und zweite (4) Elektrodenanordnung, die auf der ersten (5) bzw. (6) Flachseite der Trägerlage (2) angeordnet ist, wobei die erste Elektrodenanordnung (3) durch zumindest zwei Elektroden (8) gebildet ist und die zweite Elektrodenanordnung (4) durch zumindest eine Elektrode (9) gebildet ist, wobei die Trägerlage (2) durch einen Polymerschaum gebildet ist und eine Auswertevorrichtung (21) zur Messung der elektrischen Kenngrößen der Elektroden (8) der ersten Elektrodenanordnung (3) und zur Messung der elektrischen Kenngrößen der Elektroden (8, 9) der ersten (3) und zweiten (4) Elektrodenanordnung ausgebildet ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Position und Intensität einer Krafteinwirkung auf ein Drucksensitives Koordinatenmessgerät (1) wobei eine Krafteinwirkung auf den Polymerschaum eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des Schaums bewirkt.

Description

Dracksensitive Koordinatenmessvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein drucksensitives Koordinatenmessgerät umfassend zumindest eine Trägerlage und zumindest eine erste und zweite Elektrodenanordnung, wobei die Trägerlage aus einem elastisch rückstellbar verformbaren Material gebildet ist und zwei Flachseiten aufweist, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und durch die Dicke der Lage voneinander distanziert sind, und wobei die erste Elektrodenanordnung durch zumindest zwei, voneinander elektrisch isolierte Elektroden gebildet ist und auf der ersten Flachseite der Trägerlage angeordnet ist und wobei die zweite Elektrodenanordnung durch zumindest eine Elek- trode gebildet ist, und auf der zweiten Flachseite der Trägerlage angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Bestimmung zur Bestimmung der Position und Intensität einer Krafteinwirkung auf ein Drucksensitives Koordinatenmessgerät wobei eine Krafteinwirkung auf den Polymerschaum eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des Schaums bewirkt.
Zur Ermittlung der Position des Kontaktpunkts eines Objekts mit einer flächenhaften Trägerlage stehen dem kundigen Fachmann mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Beispielsweise können in bzw. auf der Trägerlage Schaltelemente angeordnet sein, die bei einer Krafteinwir- kung auf die Trägerlage einen Kontakt schließen und somit aufgrund der Kenntnis der Positi- on des geschlossenen Kontakts, auch unmittelbar die Position der einwirkenden Kraft ermittelt werden kann. Dieses Verfahren verwendet mechanische Schaltelemente, was in Hinblick auf einen langen, möglichst störungs- und wartungsfreien Betrieb der Positionserfassungsvor- richtung von Nachteil ist. Ebenfalls nachteilig ist, dass derartige Vorrichtungen zumeist einen deutlich höheren Fertigungsaufwand erfordern, da mechanische Schaltelemente zumeist kom- plex aufgebaut sind bzw. aus einer Mehrzahl von Teilen bestehen und sich somit schwieriger automatisiert herstellen lassen. Problematisch ist weiters, wenn eine besondere Kapselung der Positionserfassungsvorrichtung erforderlich ist, um die Vorrichtung in bestimmten Umgebungen einsetzen zu können, die einen erhöhten Schutz erfordern bspw. in einer chemisch aggressiven Umgebung oder in einer ex-Umgebung. Daher ist jedenfalls jenen Vorrichtungen zur Positionsermittlung einer einwirkenden Kraft der Vorzug zu geben, die ohne bewegliche Teile auskommen.
Kontaktlos und weitestgehend ohne bewegliche Teile arbeiten optische Verfahren zur Ermitt- lung der Position einer Krafteinwirkung. Dabei sind in den Randbereichen des Abschnitts der Trägerlage Licht aussendende und Licht empfangende Vorrichtungen angeordnet, die Positionsermittlung erfolgt hier durch rasterartiges Abfragen der Kontaktfläche durch die Lichtempfangseinrichtung. Andere kontaktlos arbeitende Verfahren verwenden beispielsweise elektromagnetische Wellen bzw. Schallwellen, insbesondere Ultraschall, wob sich aus dem erfassten Wellenbild die Position einer Krafteinwirkung berechnen lässt.
Ein weiteres Verfahren nützt die mechanischen Auswirkungen einer Krafteinwirkung auf ein Material zur Positionsbestimmung. Eine Krafteinwirkung auf ein Material fuhrt im Inneren des Materials zu mikroskopisch kleinen Änderungen der Materialspannung. Speziell in transparenten bzw. semitransparenten Materialien können diese Spannungen durch Beleuchten mit einem Licht einer charakteristischen Ausbildung sichtbar gemacht werden. Bei einem weiteren Verfahren werden diese Spannungslinien von einer Bilderfassungseinrichtung aufgenommen und daraus von einer Auswerteeinrichtung die Position der einwirkenden Kraft ermittelt.
In der CA 2 355 434 Al ist ein Koordinatenfeld offenbart, mit dem die Position und die Stärke der einwirkenden Kraft festgestellt werden kann. Das Berührungsfeld wird dabei durch einzelne, diskrete drucksensitive Elemente gebildet, die zwischen zwei Deckplatten angeordnet sind. Eine Krafteinwirkung auf eine Deckplatte des Berührungsfelds bewirkt bei den darunter liegenden drucksensitiven Element eine lokale Deformation, was sich in einer Änderung des elektrischen Widerstands des drucksensitiven Elements auswirkt, wobei die Änderung des Widerstands umso größer ist, je größer die einwirkende Kraft ist.
In der DE 103 04 704 Al ist ein Dateneingabegerät offenbart, das ein Berührfeld zur Positi- onseingabe umfasst, welches in einem Gehäuse kippbeweglich gelagert ist. Das Berührfeld wird durch die Ruhestellung mehrerer Taster in seiner oberen Ruhestellung gehalten. Die Positionsermittlung erfolgt durch Kontakt eines Objekts mit dem Berührfeld. Wird die Kraft auf das Berührungsfeld verstärkt, schließt zumindest einer der Taster. Durch Kenntnis der Position des geschlossenen Schalters lässt sich eine für diese Position hinterlegte Funktion aktivie- ren. Zur Kontaktgabe ist der Druckpunkt eines Schalters zu überwinden, eine stufenlose Kraftermittlung ist nicht möglich.
Auch die US 2007/0052691 Al offenbart ein Berührungsfeld mit mehreren darunter angeord- neten Schaltern. Das Berührungsfeld wird wiederum durch die Ruhestellung der Schalter in seiner oberen Ruheposition gehalten und bei einer Krafteinwirkung werden ein oder mehrere Schaltkontakte geschlossen. Durch eine geeignete Anordnung der Schalter und entsprechende Auswertung der einzelnen Kontaktgaben lassen sich mehrere Krafteinwirkpositionen feststel- len.
Auch die US 5,854,625 A offenbart eine ähnliche Anordnung, wobei jedoch anstelle der Schalter, Luftkondensatoren angeordnet sind. Die Decklage ist in einem stabilen Rahmen derart gehaltert, dass im Ruhezustand jeweils ein fester Abstand zwischen den beiden Konden- satorplatten sichergestellt ist. Eine Krafteinwirkung auf das Berührelement führt somit zu einer Änderung des Abstands der Kondensatorplatten, wodurch sich deren Kapazität ändert. Aus dieser Kapazitätsänderung lässt sich die Stärke der einwirkenden Kraft berechnen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, ein Berührfeld zu schaffen, mit dem sich neben der Position zumindest einer einwirkenden Kraft auch noch die Stärke der einwirkenden Kraft ermitteln lässt. Das Berührfeld soll dabei ohne mechanisch bewegliche, insbesondere ohne Kontakt gebende Komponenten aufgebaut sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zu finden, mit dem gleichzeitig die Position und Stärke von zumindest einer, auf ein Berührfeld einwirkenden Kraft ermittelt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird unter anderem dadurch gelöst, dass eine Auswertevorrichtung zur Messung der elektrischen Kenngrößen der Elektroden der ersten Elektrodenanordnung und zur Messung der elektrischen Kenngrößen der Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung ausgebildet ist. Dies hat den ganz besonderen Vorteil, dass gleichzeitig zumindest eine Position in der Ebene der ersten Elektrodenanordnung und die Stärke der an dieser zumindest einen Position einwirkenden Kraft ermittelt werden kann. Insbesondere ist mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eine Ermittlung der Positions- und Kraftmessung ohne Umschaltung der Elektroden bzw. ohne zeitlichen Versatz zwischen den beiden Messungen möglich.
Weiters wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass die Trägerlage durch einen Polymerschaum gebildet ist. Die elektrischen Eigenschaften eines derartigen Schaums lassen sich in vorteilhafter Weise auch noch nach der Herstellung des Schaums beeinflussen. Da- durch lässt sich bspw. die Sensitivität der Kraftmessung gezielt auf den gewünschten Einsatz- bereich anpassen.
Im Hinblick auf eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als ein, durch einen Benutzer bedienbares Eingabemittel, hat eine Ausbildung der Trägerlage als ein
Schaummaterial, insbesondere als Polymerschaum den Vorteil, dass dadurch der Bediener eine Rückwirkung durch ein Druckempfinden vermittelt bekommt. Neben der zweidimensionalen Positionseingabe, die durch Bewegung eines Objekts über der Berührfläche bspw. eines Fingers, eine direkte Rückmeldung über die gewünschte Positionseingabe gestattet, erlaubt nun auch eine fühlbare Deformation des Schaummaterials in vorteilhafter Weise eine subjektive Erfassung der Koordinateneingabe in der dritten Dimension.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildungen ist der Polymerschaum geschlossenzellig oder offenzel- lig ausgebildet bzw. aus einem Material aus der Gruppe umfassend Polypropylen oder PoIy- ethylen, gebildet.
Polymerschäume haben den besonderen Vorteil, dass sie kostengünstig sind und umweltfreundlich herzustellen und zu entsorgen sind.
Der Polymerschaum kann aber bspw. auch aus einem Material der Gruppe umfassend Ethylen Kopolymer, Polyamid 6 (Nylon 6), PVDF (Kynar (R)), Ethylen vinyl-acetat Kopolymer, Polyurethan, expandierbares Polystyren EPS (Neopor (R)), extrudierten Polystyren XPS (Styrodur (R), Peripor (R)) oder Melamin Resine (Basotect (R)) gebildet sein, wobei diese Aufzählung nicht einschränkend zu lesen ist.
Wenn die minimale Kapazität eines Kondensators der durch die Elektroden der ersten Elektrodenanordnung bzw. durch die Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung gebildet wird, größer als 4fF ist, lassen sich selbst geringste Deformationen, die ja eine Änderung der Kapazität bewirken, mit bekannten Messverfahren zur Bestimmung der Kapazität erfassen.
Die Elektroden der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung können unmittelbar auf die Flachseiten der Trägerlage aufgebracht werden. Weiters besteht die Möglichkeit, dass auf die erste und/oder zweite Flachseite der Trägerlage eine Separationsschicht aufgebracht wird, wobei die erste und/oder zweite Elektrodenanordnung hernach auf diese Separationsschicht aufgebracht wird.
Diese Separationsschicht, deren Dicke bevorzugt weniger als 50μm beträgt, kann beispielsweise elektrisch isolierend ausgebildet sein, wodurch die aufgebrachten Elektroden der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung von der darunter liegenden Trägerlage elektrisch isoliert sind. Weiters kann durch die Festigkeit bzw. Steifigkeit der Separationsschicht gezielt eine Biegesteifigkeit der Koordinatenmessvorrichtung realisiert werden. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn beispielsweise damit zu rechnen ist, dass auf einem kleinen Flächenabschnitt eine hohe Krafteinwirkung auftreten kann, bspw. ein punktförmiger Kraftangriff, und diese Krafteinwirkung die Trägerlage eventuell beschädigen könnte. Eine entsprechend ausgebildete Separationsschicht verteilt die einwirkende punktförmige Kraft auf einen größeren Abschnitt und entlastet somit die darunter befindliche Trägerlage.
Ebenso kann durch die Separationsschicht zur gezielten Feldbeeinflussung des elektrischen Feldes der Elektroden der ersten Elektrodenanordnung und des elektrischen Feldes der Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften weiteren Ausbildung kann die Separationsschicht derart ausgebildet sein, dass sie zur Abgabe bzw. Weiterleitung von elektromagnetischer Strahlung im optischen sichtbaren Bereich geeignet ist. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Hintergrundbeleuchtung des Tastenfelds realisieren.
Von entscheidendem Vorteil ist es, wenn die Elektroden aus Polyethylendioxythiophen (PE- DOT) gebildet sind. Dieses Material ist ein elektrisch leitfähiges Polymer und zählt somit zu den organischen Materialien. Im Hinblick auf den Umweltgedanken haben organische Materialien den bedeutenden Vorteil, dass sowohl die Herstellung als auch die Entsorgung nur eine geringe Umweltbelastung mit sich bringt. Weiters liegen organische Materialien zumeist in einem Aggregatzustand vor, der für die Herstellung wesentliche Vorteile bringt. Insbesondere lassen sich Herstellungsverfahren bzw. Methoden einsetzen, die mit metallischen Leitern nicht möglich wären. Beispielsweise lassen sich die Elektroden mittels eines Druckverfahrens auf die Flachseite der Trägerlage bzw. auf die Schutzschicht aufbringen. Weiters können die Elektroden auch aus Polyanilin (PANI) oder Polystyren Sulfonat (PSS) gebildet sein.
Einen entscheidenden Vorteil erhält man, wenn die Elektroden aus einem transparenten leitfähigen Material gebildet sind. Transparente Elektroden die beispielsweise aus Indium-Zinnoxid (ITO) gebildet sind, ermöglichen eine Ausbildung der Koordinatenmessvorrichtung, dass sie für einen Benutzer nicht mehr unmittelbar als solche erkennbar ist, da die Elektroden nicht mehr offensichtlich in Erscheinung treten.
Transparente Elektroden erlauben weiters auch einen ungehinderten Blick auf die Separationsschicht bzw. die Flachseite der Trägerlage. In weitere Ausbildungen ist es beispielsweise möglich, dass mittels der Separationsschicht ein Bedienfeld ausgebildet ist, bspw. durch Aufdrucken auf die Separationsschicht, wobei die darauf angeordneten Elektroden die Elemente dieses Bedienfelds nicht abdecken und somit eine ungehinderte Aufsicht auf das Bedienfeld möglich ist.
Sind die Elektroden aus einer durchscheinenden Metallschicht gebildet, wird in vorteilhafter Weise eine besonders gute Stromzuführung bzw. -ableitung und eine Kontaktgabe mit der Separationsschicht bzw. der Flachseite der Trägerlage erreicht. Derart ausgebildete Elektroden können aus einem Material aus der Gruppe umfassend Gold, Silber, Chrom, Kupfer und Aluminium, gebildet sein.
Liegt die Dicke der Elektroden beispielsweise im Bereich von 3 nm bis 1 μm, und beträgt typischer Weise 100 nm, wird eine üblicherweise nicht transparente Metallschicht durchscheinend. Dies hat den Vorteil, dass die unter der Elektrode befindlichen Abschnitte der Separationsschicht bzw. der Flachseite der Trägerlage durch die Elektrode durchscheinen und zusätzlich eine hohe Elektronenleitfähigkeit der metallischen Elektrode erreicht wird.
Durch eine strukturierte Ausbildung der Elektroden lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Erfassungscharakteristika realisieren. Ineinander verschränkte Fingerelektroden erlauben beispielsweise die Realisierung eines Schiebers, mit segmentiert angeordneten Elektroden lassen sich beispielsweise Mehrwegschalter realisieren. Durch entsprechend feinstrukturierte Elektroden lässt sich das Auflösungsvermögen der Koordinatenmessvorrichtung definiert einstellen. Durch die vorteilhaften Eigenschaften des Elektrodenmaterials hinsichtlich des Einsatzes unterschiedlicher Fertigungsmethoden, hängt das erreichbare Auflösungsvermögen der Koordinatenmessvorrichtung somit von der Feinheit der fertigungstechnisch realisierbaren Strukturen ab.
In einer weiteren Ausbildung können die Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung strukturiert ausgebildet sein. Durch eine entsprechende Ausbildung der Auswertevor- richtung ist somit eine Erfassung von zumindest einer Krafteinwirkung auf jede Oberfläche bzw. Elektrodenanordnung möglich.
A/D-Umsetzer und Signalquellen sind in der elektronischen Schaltungstechnik weit verbreitet, finden vielfach Einsatz und sind daher zumeist sehr kostengünstig verfügbar. Eine Aus- Wertevorrichtung, die aus einer Signalquelle und zumindest einem A/D-Umsetzer gebildet ist, ist daher ebenfalls meist recht kostengünstig realisierbar, was in Hinblick auf einen weit verbreiteten Einsatz der Koordinatenmessvorrichtung von Vorteil ist.
Die Signalquelle ist dabei zur Abgabe eines elektrischen Wechselsignals mit einer Frequenz im Bereich von IkHz bis IMHz ausgebildet, bevorzugt wird eine Frequenz von 25OkHz. Die Auflösegenauigkeit und Auflösegeschwindigkeit des A/D-Umsetzers lässt sich in vorteilhafter Weise genau an die Anforderungen der Kapazitätsmessung anpassen. Insbesondere von Vorteil ist, dass mittels einer Signalquelle und einem A/D-Umsetzer eine funktionell einfache Messung einer Kapazitätsänderung realisieren lässt, beispielsweise durch Bestimmung der sich ändernden Zeitkonstanten. Ebenso von Vorteil ist, dass derartige elektronische Komponenten sich zumeist außerordentlich hoch integrieren lassen, wobei solche integrierten Schaltkreise kompakt und Platz sparend ausgebildet werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können die Signalquelle und der A/D-Umsetzer aus or- ganischen Halbleitern gebildet sein. Bauteile aus organischen Halbleitern lassen sich besonders kostengünstig herstellen und haben entscheidende Vorteile im Hinblick auf die Umweltproblematik bei der Herstellung und Entsorgung. Bei bestimmungsgemäßen Einsatz der gegenständlichen Koordinatenmessvorrichtung ist vorgesehen, dass es zu einem mechanischen Kontakt bzw. zu einer Krafteinwirkung auf zumindest eine der Flachseiten bzw. der Oberflächen kommt. Eine Krafteinwirkung und gegebenenfalls auch eine Bewegung auf diesen Oberflächen kann jedoch die dort angeordneten Elektro- den der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung beschädigen bzw. zerstören. Wird auf der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung eine Schutzschicht aufgebracht, ist in vorteilhafter Weise ein unmittelbarer Kontakt der einwirkenden Kraft mit den Elektroden der Elektrodenanordnung und/oder der nicht von Elektroden abgedeckten Flachseiten der Trägerlage und/oder der Separationsschicht verhindert.
In einer Ausbildung kann diese Schutzschicht die gesamte Koordinatenmessvorrichtung voll- flächig bedecken, also auf den Elektrodenanordnungen, auf der Separationsschicht bzw. auf den Flachseiten der Trägerlage, die nicht durch die Elektrodenanordnung bedeckt sind und an den Stirnseitenkanten angebracht sein. In einer weiteren Ausbildung kann die Schutzschicht aber auch nur abschnittsweise aufgebracht sein und so bspw. nur den Abschnitt der Elektroden der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung abdecken.
Ebenso kann diese Schutzschicht die Koordinatenmessvorrichtung voll umschließen und somit eine hermetische Kapselung der Messvorrichtung ausbilden. Die ist insbesondere von Vorteil, wenn die Messvorrichtung unter besonders schwierigen Umweltbedingungen eingesetzt werden soll.
In einer weiteren Ausbildung kann beispielsweise eine weitere Schicht, insbesondere eine Funktionsschicht, aufgebracht werden. Diese Funktionsschicht kann die vorteilhaften Eigen- schatten der Schutzschicht erweitern und/oder eine vorteilhafte Weiterbildung hinsichtlich der gestalterischen Möglichkeiten bieten. Insbesondere kann diese Funktionsschicht dazu ausgebildet sein, das Anbringen von Gestaltungselementen wie Logo-Aufdrucken und/oder Bedienelementen zu vereinfachen, sodass diese Elemente beispielsweise mit einem Tintenstrahl- druckverfahren aufgedruckt werden können.
Da die Elektroden und auch die Zu- bzw. Ableitungen der Elektroden aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sind, ist es von entscheidendem Vorteil, wenn die Schutzschicht aus einem nicht leitenden Material gebildet ist. Bei einer derartigen Ausbildung kann die Schutz- schicht unmittelbar auf die Elektroden der Elektrodenanordnungen bzw. auf die Zu- und Ableitungen aufgebracht werden, da hinsichtlich der elektrischen Isolation keine weiteren Vorkehrungen mehr getroffen werden müssen. Ein weiterer Vorteil einer elektrisch nicht leitenden Schutzschicht ist, dass diese Schutzschicht auch einen elektrisch isolierenden Schutz der Koordinatenmessvorrichtung gegen die Umgebung bietet, was ebenfalls den Vorteil hat, dass auch in diesem Fall keine zusätzlichen Isolationsmaßnahmen erforderlich sind.
In einer weiteren Ausbildung kann die Schutzschicht beispielsweise aus einem organischen Material gebildet sein. Die vorteilhaften Eigenschaften organischer Materialien hinsichtlich ihrer Umweltverträglichkeit treffen somit auch auf eine derart ausgebildete Schutzschicht zu.
Im Hinblick auf ein möglichst breites Einsatzgebiet der Koordinatenmessvorrichtung ist es von entscheidendem Vorteil, wenn die Schutzschicht beständig gegen Umwelteinflüsse ist. Umwelteinflüsse können z. B. sein (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): Feuchtigkeit, Was- ser, Temperatur, UV-Licht sowie Luft (Sauerstoff). Weiters kann die Schutzschicht beispielsweise auch eine erhöhte Abriebfestigkeit aufweisen und erlaubt somit auch einen Einsatz in Bereichen, wo mit erhöhter mechanischer Belastung, erhöhter Staubbelastung und allgemein mit der Gefahr einer nicht sachgemäßen Bedienung zu rechnen ist.
In einer weiteren Ausbildung ist denkbar, dass die Schutzschicht derart ausgebildet ist, dass sie den hohen Hygienestandards im medizinischen Bereich genügt und somit auch die in diesem Bereich eingesetzten Desinfektionsverfahren unbeschadet übersteht.
Ebenso denkbar ist eine Ausbildung der Schutzschicht zum Schutz gegen Säuren, Laugen und aggressive Dämpfe.
Eine Elektrodenanordnung kann beispielsweise zur Ausbildung spezieller Kontakt bzw. Schaltelemente strukturiert sein. Wird auf der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung zumindest eine weitere Elektrodenanordnung aufgebracht, lässt sich mit dieser weiteren Elek- trodenanordnung eine gänzlich andere Struktur der Bedienelemente ausbilden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, mit einer Koordinatenmessvorrichtung sowohl sehr grobe Positionsbestimmungen, als auch sehr fein aufgelöste bzw. speziell ausgebildete Positionserfassungen durchführen zu können. Zur Vermeidung von störenden Beeinflussungen ist die weitere Elek- trodenanordnung gegenüber der darunter anliegenden Elektrodenanordnung elektrisch isoliert.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren gelöst, wobei eine Auswertevorrichtung die Änderung der Kapazität der Elektroden der ersten Elektrodenanordnung erfasst und weiters die Änderung der Kapazität der Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung erfasst. Dies hat den bedeutenden Vorteil, dass mit einer Auswertevorrichtung gleichzeitig die Änderung der Kapazität zweier Elektrodenanordnungen ermittelt werden kann, ohne dass es zu ungültigen Werten aufgrund gegenseitiger Beeinflussungen kommt. Weiters hat die anspruchsgemäße Ausbildung den Vorteil, dass ohne Umschaltung der Elekt- roden bzw. der Auswertevorrichtung und auch ohne zeitlichen Versatz, gleichzeitig beide Kapazitätswerte ermittelt werden können
Eine Annäherung eines Objekts an die Elektroden der ersten Elektrodenanordnung führt zu einer Änderung der erfassten Kapazität zwischen diesen Elektroden. Aus der Messung dieser Kapazitätsänderung lässt sich somit die Position des Objekts ermitteln. In einer weiteren Ausbildung kann beispielsweise mit entsprechend feinstrukturierten Elektroden der ersten und/ oder zweiten Elektrodenanordnung nicht nur die Position eines Objekts ermittelt werden, sondern lassen sich auch bei entsprechend feiner Strukturierung mehrere, insbesondere eine Vielzahl von Objekten in ihrer Position erfassen.
Eine Krafteinwirkung auf die Koordinatenmessvorrichtung führt zu einer geringen Deformation im Bereich des Kraftangriffspunkts. Diese Deformation bewirkt durch den sich ändernden Abstand zwischen den Elektroden auch eine Änderung der Kapazität der Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung, die im von der Krafteinwirkung beeinflussten Ab- schnitt der Koordinatenmessvorrichtung angeordnet sind. Durch die Messung der Kapazitätsänderung der Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung lässt sich somit in vorteilhafter Weise die Intensität bzw. Stärke der einwirkenden Kraft ermitteln.
Einen bedeutenden Vorteil erhält man, wenn die Auswerteeinrichtung durch eine Kraftein- Wirkung auf den Polymer schäum aktiviert wird. Zur Ermittlung der Kapazitätsänderung ist elektrische Energie von Nöten, daher ist es im Hinblick auf eine Energieeffizienz von entscheidendem Vorteil, wenn die Erfassung der Kapazitätsänderung nur dann durchgeführt wird, wenn ein Kontakt mit dem Koordinatenmessgerät stattgefunden hat. Die anspruchsge- mäß ausgebildete Auswertevorrichtung befindet sich daher im Ruhezustand, in dem sie nur einen geringen Stromverbrauch aufweist. Durch eine Kiafteinwirkung wird vom Polymerschaum ein elektrisches Signal abgegeben, das die Auswerteeinrichtung aktiviert. Als Krafteinwirkung zur Aktivierung reicht beispielsweise ein leichtes Antippen in einem beliebigen drucksensitiven Abschnitt des Koordinatenmessgeräts.
Vorteilhaft ist weiters, wenn neben der Ermittlung der Intensität einer Krafteinwirkung auch noch die Richtung der Krafteinwirkung ermittelt werden kann. Durch eine entsprechend strukturierte Ausbildung der Elektroden der ersten und zweiten Elektrodenanordnung bewirkt eine einwirkende Kraft eine Änderung der Kapazität mehrerer in diesem Abschnitt angeordneten Elektroden, woraus sich ein Richtungsvektor errechnen lässt.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen drucksensitiven Koordinaten- messvorrichtung ;
Fig. 2 ein stark vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der einzelnen Kapazitäten der drucksensitiven Koordinatenmessvorrichtung;
Fig. 3 a) b) Aufsicht auf die erste und zweite Oberfläche der drucksensitiven Koordina- tenmessvorrichtung mit verschieden strukturierten Elektrodenanordnungen;
Fig. 4 die schematische Darstellung der elektrischen Beschallung, sowie die sich ausbildenden elektrischen Felder;
Fig. 5 a) zeigt die Beeinflussung des elektrischen Felds der ersten Elektrodenanordnung bei einer Annäherung eines Objekts; b) zeigt die Beeinflussung des elektrischen Felds der ersten und zweiten Elektrodenanordnung bei einer Krafteinwirkung auf die Oberfläche. Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf glei- che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unter- schiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße drucksensitive Koordmatenmessvorrichtung 1 , umfassend eine Trägerlage 2 und eine erste 3 und zweite 4 Elektrodenanordnung. Auf der ersten 5 und zweiten 6 Flachseite der Trägerlage 2 ist eine Separationsschicht 7 aufgebracht. Die Elektroden 8 der ersten Elektrodenanordnung 3 sowie die Elektroden 9 der zweiten Elektrodenanordnung 4 sind auf der Separationsschicht 7 angeordnet. Gegebenenfalls kann die Anordnung noch von einer Schutzschicht 10 überzogen werden, wobei die Schutzschicht vollflächig, also auf den Elektrodenanordnungen, den Stirnseitenkanten der Trägerlage sowie der Separations- Schicht angeordnet sein. Die Schutzschicht kann aber weiters auch nur abschnittsweise angeordnet sein, beispielsweise nur auf den Elektrodenanordnungen, oder über anderen diskreten Abschnitten. Nicht dargestellt sind die elektrisch leitenden Verbindungsleitungen zur Verbindung der Elektroden mit der, ebenfalls nicht dargestellten, Auswertevorrichtung.
Die Elektroden 8 der ersten Elektrodenanordnung 3 und die Elektroden 9 der zweiten Elektrodenanordnung 4 sind aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und auf der Separationsschicht 7 und/oder auf den Flachseiten 5, 6 der Trägerlage 2 derart angeordnet, dass es zu keiner elektrisch leitenden Verbindung der einzelnen Elektroden kommen kann. Wird als Trägerlage 2 beispielsweise ein Polymerschaum verwendet, so dient die Separationsschicht 7 dazu, die Elektroden von der leitfähigen Trägerlage zu isolieren.
In einer Weiterbildung können die Elektroden der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung beispielsweise transparent oder semitransparent ausgebildet sein. Daher scheint ein auf der Separationsschicht 7 aufgebrachtes Druckbild, beispielsweise Bedienelemente und Tastenfelder, durch die Elektroden der Elektrodenanordnungen hindurch. Dies hat besonders den Vorteil, dass sich auf diese Art schnell und einfach Tasten bzw. Bedienfelder ausbilden lassen, wobei sich durch unterschiedliche Ausbildung bzw. Anordnung der Elektroden der Elekt- rodenanordnungen verschiedene Bediencharakteristiken realisieren lassen. Beispielsweise sind Ausbildungen als Taster, Drehregler und Schieber möglich.
Die erfindungsgemäße drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung ist jedoch nicht auf die hier beschriebene Ausbildung beschränkt. In weiteren Ausbildungen können beispielsweise zwischen den Elektrodenanordnungen und der Trägerlage mehrere Separationsschichten 7 angeordnet sein, wobei jede Separationsschicht für eine unterschiedliche Aufgabe ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Separationsschicht als Haftvermittlung für die darauf aufzubringenden Elektroden dienen.
Da gemäß einer Weiterbildung auch offenzellige Polymerschäume als Trägerlage Verwendung finden, kann die Separationsschicht auch als Glättungslage dienen, denn derartige Polymerschäume haben eine unebene Oberfläche und können insbesondere Vertiefungen aufweisen. Für die Aufbringung von Elektroden ist es nun von Vorteil, wenn diese auf eine möglichst ebene Oberfläche aufgebracht werden können.
Ebenso ist die erfindungsgemäße drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nicht auf nur eine Elektrodenanordnung je Flachseite der Trägerlage beschränkt. Zur Erzielung unterschiedlicher Messcharakteristiken kann beispielsweise auf der ersten und/oder zweiten Elektrodenanordnung elektrisch von dieser isoliert, zumindest eine weitere Elektrodenanordnung angeordnet sein. Die Elektroden der weiteren Elektrodenanordnung können beispielsweise großflächig ausgebildet sein, wodurch man nur eine geringe Ortsauf lösung, dafür aber eine hohe Empfindlichkeit erreicht. Die Messung der Kapazitätsänderung geschieht üblicherweise durch Messung der Zeitkonstanten des abklingenden Wechselsignals. Durch Ansteuerung der Elektroden der weiteren Elektrodenanordnungen mit einem Wechselsignal einer unterschied- liehen Frequenz lässt sich bspw. gleichzeitig eine Grob- bzw. Feinbestimmung der einwirkenden Kraft durchführen. Ebenso kann die weitere Elektrodenanordnung dazu dienen, die Richtung der einwirkenden Kraft feststellen zu können. Ebenso sind Ausbildungen denkbar, bei denen mehrere Schutzschichten 10 angeordnet sind. Beispielsweise kann in Abschnitten, in denen sich ein Bedienelement befindet, eine Schutzschicht aufgebracht sein, die einen erhöhten Schutz hinsichtlich einer mechanischen Belastung durch ein Bedienmittel bietet. Die gesamte Koordinaterimessvorrichtung und damit auch die bereits von einer Schutzschicht bedeckten Abschnitte können hernach mit einer weiteren Schutzschicht zum Zwecke der Oberflächenversiegelung überzogen. Beispielsweise kann eine Schutzschicht aber auch als Anzeigelement ausgebildet sein und somit eine wahlfreie und individuell anpassbare Darstellung von Bedienelementen und/oder ermöglichen. Weiters kann die Schutzschicht auch als Leuchtmittel ausgebildet sein und somit bspw. als Hintergrundbe- leuchtung von aufgebrachten Beschriftungen dienen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Trägerlage 2, die Elektroden 8, 9 der Elektrodenanordnungen 3, 4 sowie ggf. aufgebrachte Separations- 7 bzw. Schutzschichten 10 flexibel ausgebildet. Dies hat den ganz besonderen Vorteil, dass sie erfindungsgemäßen drucksensiti- ven Koordinatenmessvorrichtung auch auf nicht ebenen Auflageflächen angeordnet werden kann. Insbesondere führt jedoch auch eine kontinuierliche, dynamische Verformung der Messvorrichtung zu keiner Beschädigung derselben.
Fig. 2 zeigt ein stark vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen drucksensitiven Koordinatenmessvorrichtung 1. Auf den Flachseiten 5, 6 der Trägerlage 2 ist jeweils eine Separationsschicht 7 aufgebracht. Die erste Elektrodenanordnung 3 ist durch zwei Einzelelektroden 8 gebildet, die zweite Elektrodenanordnung 4 ist durch eine Elektrode 9 gebildet. Eine erste Kapazität 11 repräsentiert die Kapazität zwischen den Elektroden 8 der ersten Elektrodenanordnung 3. Weitere Kapazitäten 12 repräsentieren die Kapazitäten, die sich zwischen den Elektroden 8 der ersten Elektrodenanordnung 3 und der Elektrode 9 der zweiten Elektrodenanordnung 4 ausbilden.
Durch eine, in der Fig. nicht dargestellte, Ansteuerung einer Elektrodenanordnung mit einem elektrischen Wechselsignal, wird sich zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld ausbil- den. Das Feld der ersten Elektrodenanordnung wird sich im Wesentlichen in der Luft ausbilden, zwischen erster und zweiter Elektrodenanordnung wird sich das Feld im Wesentlichen in der Trägerlage ausbilden. Durch entsprechende Ausbildung der relativen Permittivität der Separations- bzw. der Schutzschicht, lässt sich die Feldausbildung ganz gezielt steuern und so in vorteilhafter Weise eine gegenseitige Beeinflussung der Felder vermeiden bzw. verringern.
Fig. 3 zeigt nun eine erfindungsgemäße Koordinatenmessvorrichtung mit mehreren unterschiedlich ausgebildeten Elektrodenanordnungen, wobei Fig. 3 a die Draufsicht auf die ersten Elektrodenanordnungen und Fig. 3b die Draufsicht auf die zweiten Elektrodenanordnungen zeigt. Die Elektrodenanordnungen sind als Schalter bzw. Taster 13, als Mehrwegschalter 14 und als Schieber 15 ausgebildet. In der Figur nicht dargestellt ist die zur Messung der Kapazitätsänderung erforderliche Auswertevorrichtung. Die Elektroden 8 der Elektrodenanordnungen sind über Verbindungsleitungen 16 mit dieser Auswertevorrichtung verbunden.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Schalter bzw. Taster 13 bietet nun den ganz entscheidenden Vorteil, dass eine wesentlich schnellere und zuverlässigere Erkennung der gewünschten Funktion möglich ist. Bei einem kapazitiven Schalter bzw. Taster dem die Möglichkeit zur Bestimmung einer einwirkenden Kraft fehlt, wird zumeist eine gewünschte Kontaktgabe durch eine längere Verweildauer des kontaktgebenden Objekts über der Elektrodenanordnung des Schalters bzw. Tasters erkannt. Bei einem derartigen, beispielsweise mit einem Finger zu bedienenden Eingabefeld muss somit der Bediener seinen Finger für eine gewisse Zeit auf einem Eingabefeld verweilen lassen, damit von der Auswertevorrichtung die Kontaktgabe erkannt wird. Diese Zeitdauer ist erforderlich, da sonst beim Bewegen des Eingabeobjekts über den einzelnen Bedienfeldern bereits eine Kontaktgabe ausgelöst werden würde. Die erfindungsgemäße drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung bietet nun den ganz besonderen Vorteil, dass die Kontaktgabe, ähnlich wie es ein Bediener von einer Tastatur gewöhnt ist, durch Druck auf das Eingabeelement erfolgt. Dadurch ist eine wesentlich höhere Eingabege- schwindigkeit möglich und weiters wird eine irrtümliche Kontaktgabe durch ein ungewolltes längeres Verweilen über einem Eingabeelement vermieden. Bei entsprechender Ausbildung der Trägerlage und/oder einer darauf angebrachten Separationsschicht kann einem Bediener beispielsweise auch noch ein subjektives Druckgefühl vermittelt werden.
Durch eine entsprechende Ausbildung mit mehreren Elektroden 8 lässt sich ein Mehrweg- Schalter 14 realisieren. Ein derartiges Bedienelement kann beispielsweise zur Steuerung eines Greifarms eingesetzt werden. Die Positionierung in einer ersten Koordinatenebene erfolgt dabei durch Ermittlung der Position eines Eingabemittels relativ zu den Elektroden des Mehrwegschalters 14. Die Bewegung des zu steuernden Greifarms in einer weiteren Koordinaten- richtung erfolgt dann durch Ermittlung des auf den Mehrwegschalter ausgeübten Drucks. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann beispielsweise mit einem derartigen Mehrwegschalt- element ein Steuerknüppel verbunden sein, mit dem eine kombinierte Positions- und Kraft- einwirkung auf das Mehrwegschaltelement ausgeübt werden kann. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung erhält man, wenn ein Bedienelement, beispielsweise ein Steuerknüppel, mit einem erfindungsgemäßen Mehrwegschalter kraftschlüssig verbunden ist. Ein solcher Steuerknüppel weist eine Mehrzahl von Kontaktgabemitteln auf, mit deren kapazitätsbeeinflussen- der Wirkung bei Annäherung an die Elektroden, die Position des Kontakts in der ersten Koordinatenebene ermittelt wird. Eine Krafteinwirkung auf die Trägerlage führt zu einer lokalen Deformation derselben und dadurch zu einer Änderung des Kapazitätswerts zwischen den darauf aufgebrachten Elektroden. Zu dieser Kapazitätsänderung kommt es sowohl bei einer positiv, also drückend einwirkenden Kraft, als auch bei einer negativ, als ziehend einwirkenden Kraft. Wenn der Steuerknüppel nun kraftschlüssig mit dem Mehrwegschaltelement verbunden ist, lassen sich sowohl Druck- als auch Zugkräfte auf das Schaltelement aufbringen und somit in vorteilhafter Weise ein weiterer Freiheitsgrad der Steuerungsmöglichkeiten erreichen.
Durch ineinander verzahnte Fingerelektroden lässt sich ein Schieber 15 ausbilden. Mit einem derartigen Schieber lässt sich beispielsweise ein Greifarm oder ein Zeigeelement in einer Ko- ordinatenrichtung bewegen. Durch die vorteilhafte erfindungsgemäße Ausbildung kann nun auch der auf den Schieber ausgeübte Druck zur Ermittlung einer weiteren Koordinateninformation verwendet werden. Beispielsweise kann der Druck den das kontaktgebende Objekt auf den Schieber auswirkt, dazu verwendet werden, die Geschwindigkeit des zu steuernden Objekts zu beeinflussen. Dadurch ist es beispielsweise in vorteilhafter Weise möglich, durch Ausüben eines sehr geringen Drucks sowohl eine sehr feine und damit sehr genaue Positionierung des zu steuernden Objekts zu erreichen, als auch durch Ausüben eines größeren Kontaktdrucks mit dem Schieberelement eine deutlich höhere Steuerungsgeschwindigkeit des Objekts zu erreichen.
Fig. 3b zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite der Koordinatenmessvorrichtung, auf der die Elektroden 9 der zweiten Elektrodenanordnungen aufgebraucht sind. Die Gegenelektrode des Schalters bzw. Tasters 17 sowie die Gegenelektrode des Schiebers 18 sind hier als eine flächenhafte Elektrode 9 ausgebildet, die Gegenelektroden des Mehrwegschalters 19 sind zwei- geteilt ausgebildet. In weiteren Ausbildungen können diese Gegenelektroden jedoch auch strukturiert ausgebildet sein, um weitere vorteilhafte Messcharakteristiken zu ermöglichen. Auch diese Elektroden sind wiederum über Verbindungsleitungen 16 mit der nicht dargestellten Auswertevorrichtung verbunden.
Die erfindungsgemäße drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung gestattet es somit, mit einem entsprechend ausgebildeten Bedienelement mehrere Bedienfunktionen bereitstellen zu können. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Koordinatenmessvorrichtung ist, dass gleichzeitig eine Positionsbestimmung und die Bestimmung von lokal einwirkenden Kräften möglich ist.
In weiteren denkbaren Ausbildungen kann die erfindungsgemäße Koordinatenmessvorrichtung beispielsweise zur Ermittlung eines Lastprofils ausgebildet sein. Ein Vorteil der erfmdungs- gemäßen Koordinatenmessvorrichtung ist, dass es sich sehr kostengünstig, auch großflächig, herstellen lässt. Eine großflächige Messvorrichtung kann beispielsweise zur Ermittlung des
Fußabrollverhaltens eines Läufers eingesetzt werden. Ebenso sind Ausbildungen denkbar, bei denen die Druckverteilung bzw. das Lastprofils eines Auflagers ermittelt werden soll.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Trägerlage beispielsweise derart ausgebildet sein, sie bei einer Krafteinwirkung ein elektrisches Signal abgibt, beispielsweise eine elektrische Spannung, die eine entsprechend ausgebildete Auswertevorrichtung aus einem Stromsparmodus aufweckt. Eine derartige Ausbildung hat den ganz besonderen Vorteil, dass die energieverbrauchende Messung der Kapazitätsänderungen nur dann erfolgt, wenn dies durch den Bediener bzw. durch eine erfolgte Krafteinwirkung ausgelöst wurde. Nach Durchführung der Messung bzw. nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit versetzt sich die Auswertevorrichtung automatisch in einen Energiesparmodus, was insbesondere für nicht netzbetriebene Geräte einen entscheidenden Vorteil hinsichtlich der zu erwartenden Betriebsdauer bringt.
In einer Weiterbildung kann die Trägerlage derart ausgebildet sein, dass sie eine Kraftrück- Wirkung generieren kann. Dadurch kann ein Bediener in vorteilhafter Weise unmittelbar informiert werden, welche Kräfte an der entfernten gesteuerten Vorrichtung auftreten. Wird bspw. eine Vorrichtung über eine Oberfläche bewegt, lässt sich somit die Beschaffenheit der Oberfläche auf das Bedienobjekt, bspw. dem Finger des Bedieners, aktiv zurückmelden. Fig. 4 zeigt an einer stark vereinfachten drucksensitiven Messvorrichtung schematisch die Verteilung des elektrischen Feldes, das sich bei der Messung der Kapazität bzw. der Kapazi- ätsänderung einstellen wird. Die Signalquelle 20 ist zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung ausgebildet, insbesondere eines gleichspannungsfreien Wechselsignals mit einer Frequenz, die typischerweise im Bereich von IkHz bis IMHz liegt. Die Signalquelle ist elektrisch leitend mit einer Elektrode 8 der ersten Elektrodenanordnung 3 verbunden. Die beiden anderen Elektroden 8 der ersten Elektrodenanordnung 3 sowie die Elektrode 9 der zweiten Elektrodenanordnung 4 sind elektrisch leitend mit jeweils der Auswertevorrichtung 21 verbunden, insbesondere mit einem Signalumsetzer 27.
Durch das an der Elektrode anliegende elektrische Wechselsignal bildet zwischen den Elektroden der ersten Elektrodenanordnung 3 ein erstes elektrisches Feld 22 aus. Auch zwischen der angesteuerten Elektrode der ersten Elektrodenanordnung 3 und der Elektrode 9 der zweiten Elektrodenanordnung 4 bildet sich im Material der Trägerlage 2 ein zweites elektrisches Feld 23 aus.
Die Messung der Kapazität bzw. der Kapazitätsänderung findet durch ein übliches Verfahren, beispielsweise durch die Bestimmung der Zeitkonstanten, statt. Dabei wird von jedem Signalerfassungsmodul 21 ermittelt, wie schnell das von der Signalquelle erzeugte Wechselsignal an der vom Signalerfassungsmodul überwachten Elektrode abfallt. Durch ein übliches Berech- nungsverfahren lässt sich nun aus dieser Abklingzeit die Kapazität berechnen und als Referenzwert für eine Änderung der Abklingzeit und damit verbunden eine Änderung der Kapazität verwenden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 4 weder eine Separationsschicht noch eine Schutzschicht dargestellt. Sinngemäß gelten die folgenden Beschreiben auch für zu- mindest eine aufgebrachte Separationsschicht und/oder zumindest eine aufgebrachte Schutzschicht.
Fig. 5a zeigt eine Annäherung bzw. drucldose Kontaktgabe eines Objekts 24 an die erste Elektrodenanordnung 3, wobei es durch die Annäherung des Objekts 24 zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes 25 kommt.
Fig. 5b zeigt die sich ergebende Feldbeeinflussung, wenn das Objekt 24 einen Druck auf einen Abschnitt der Koordinatenmessvorrichtung 1 ausübt. Eine Annäherung eines Objekts bzw. eine Berührung der ersten Elektrodenanordnung 3 bewirkt eine Veränderung des Kapazitätswerts der ersten Kapazität. Solange es zu keiner Deformation der Trägerlage kommt, bleibt der Kapazitätswert der zweiten Kapazität weitestge- hend unverändert. Wird durch ein Objekt nun eine Kraft auf die erste und/oder zweite Elektrodenanordnung ausgeübt, kommt es im Bereich der Krafteinwirkung zu einer kleinen lokalen Deformation 26 der Trägerlage 2. Diese lokale Deformation bewirkt, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden der ersten Elektrodenanordnung 3 und der Elektrode der zweiten Elektrodenanordnung 4 geringfügig ändert, wodurch sich der Kapazitätswert der zweiten Ka- pazität entsprechend ändert.
Bei entsprechend segmentiert ausgebildeten Elektroden der ersten Elektrodenanordnung 3 lässt sich nun durch Messung der Änderung der Kapazitätswerte der ersten Kapazitäten eindeutig die Position des sich nähernden bzw. die Elektrodenanordnung berührenden Objekts ermitteln. In gleicher Weise ist durch Messung durch Änderung der Kapazitätswerte der zweiten Kapazitäten eine Bestimmung der Intensität der Krafteinwirkung möglich.
Zur Vereinfachung der Darstellung wurden in den Fig. 5 nur sehr einfache Elektrodenanordnungen dargestellt. In weiteren Ausbildungen können sowohl die Elektroden der ersten Elekt- rodenordnung, als auch die Elektroden der zweiten Elektrodenanordnung strukturiert ausgebildet sein. Insbesondere ist eine vorteilhafte Ausbildung denkbar, bei der zusätzlich zur Position der Kontaktgabe in der Ebene der ersten Elektrodenanordnung und der Bestimmung der einwirkenden Kraft, auch noch die Richtung der einwirkenden Kraft ermittelt wird. Da es durch eine einwirkende Kraft zu lokalen Verzerrungen des elektrischen Felds im Material der Träger- läge kommt, kann durch entsprechend strukturierte Elektroden der zweiten Elektrodenanordnung ein Richtungsvektor der einwirkenden Kraft ermittelt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung erhält man, wenn die Verbindung der Elektroden mit der Signalquelle bzw. der Elektroden mit den Signalerfassungsmodulen während der Messung ge- ändert werden kann. Durch ein entsprechendes Schalt- bzw. Zuordnungsmodul lassen sich verschiedenartige Messbereiche bzw. Messcharakteristiken realisieren. Beispielsweise können so mehrere Elektroden zu einer einzigen Elektrode zusammengeschaltet werden, um eine Erhöhung der Messempfindlichkeit zu erreichen. Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mitumfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren
Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten der drucksensitiven Koor- dinatenmessvorrichtung wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst.
Der Ordnung halber sei abschließend daraufhingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der drucksensitiven Koordinaterimessvorrichtung diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1 bis 5b gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen. Bezugszeichenaufstellung
1 Koordinatenmessvorrichtung
2 Trägerlage
3 erste Elektrodenanordnung
4 zweite Elektrodenanordnung
5 erste Flachseite
6 zweite Flachseite
7 Separationsschicht
8 Elektrode der ersten Elektrodenanordnung 9 Elektrode der zweiten Elektrodenanordnung
10 Schutzschicht
11 erste Kapazität 12 zweite Kapazität
13 Schalter bzw. Taster
14 Mehrwegschalter
15 Schieber 16 Verbindungsleitungen
17 Gegenelektrode des Schalters bzw. Tasters
18 Gegenelektrode des Schiebers
19 Gegenelektroden des Mehrwegschal- ters
20 Signalquelle
21 Auswertevorrichtung
22 Elektrisches Feld der ersten Elektro- denanordnung
23 Elektrisches Feld der ersten und zweiten Elektrodenanordnung
24 Objekt
25 Feldverzerrung
26 lokale Deformation
27 Signalumsetzer, A/D-Wandler

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung (1) umfassend zumindest eine Trägerlage (2) und zumindest eine erste (3) und zweite (4) Elektrodenanordnung, wobei die Trägelage (2) aus einem elastisch rückstellbar verformbaren Material gebildet ist und zwei Flachseiten (5, 6) aufweist, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und durch die Dicke der Lage voneinander distanziert sind, und wobei die erste Elektrodenanordnung (3) durch zumindest zwei, voneinander elektrisch isolierte Elektroden (8) gebildet ist und auf der ersten Flachseite (5) der Trägerlage (2) angeordnet ist und wobei die zweite Elektrodenanordnung (4) durch zumindest eine Elektrode (9) gebildet ist, und auf der zweiten Flachseite (6) der
Trägerlage (2) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerlage (2) durch einen Polymerschaum gebildet ist und dass eine Auswertevorrichtung (21) zur Messung der elektrischen Kenngrößen der Elektroden (8) der ersten Elektrodenanordnung (3) und zur Messung der elektrischen Kenngrößen der Elektroden (8, 9) der ersten (3) und zweiten (4) Elektroden- anordnung ausgebildet ist.
2. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerschaum geschlossenzellig oder offenzellig ausgebildet ist.
3. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymerschaum aus einem Material aus der Gruppe umfassend Polypropylen oder Polyethylen, gebildet ist.
4. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, dass die minimale Kapazität eines Kondensators der durch die Elektroden (8) der ersten Elektrodenanordnung (3) bzw. durch die Elektroden (8, 9) der ersten (3) und zweiten (4) Elektrodenanordnung gebildet wird, größer als 4fF ist.
5. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- durch gekennzeichnet, dass auf der ersten (5) und/oder zweiten (6) Flachseite der Trägerlage eine Separationsschicht (7) aufgebracht ist.
6. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8, 9) aus Polyethylendioxythiophen (PEDOT) gebildet sind.
7. Drucksensitive Koordmatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da- durch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8, 9) aus einem transparenten leitfähigem Material gebildet sind.
8. Drucksensitive Koordmatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8, 9) aus einem Metall gebildet sind.
9. Drucksensitive Koordmatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (8, 9) strukturiert ausgebildet sind.
10. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da- durch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (21) aus einer Signalquelle (20) und zumindest einem A/D-Umsetzer (27) gebildet ist.
11. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste (3) und/oder zweite (4) Elektrodenanordnung eine Schutzschicht (10) aufgebracht wird.
12. Drucksensitive Koordmatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (10) aus einem elektrisch nicht leitendem Material gebildet ist.
13. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (10) beständig gegen Umwelteinflüsse ist.
14. Drucksensitive Koordinatenmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da- durch gekennzeichnet, dass auf der ersten (3) und/oder zweiten (4) Elektrodenanordnung zumindest eine weitere Elektrodenanordnung angeordnet ist.
15. Verfahren zur Bestimmung der Position und Intensität einer Krafteinwirkung auf ein Drucksensitives Koordinatenmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine Krafteinwirkung auf den Polymerschaum eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des Schaums bewirkt dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertevorrichtung die Änderung der Kapazität der Elektroden (8) der ersten Elektrodenanordnung (3) erfasst und weiters die Änderung der Kapazität der Elektroden (9) der ersten und zweiten Elektrodenanordnung (4) erfasst.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Änderung der Kapazität der Elektroden (8) der ersten Elektrodenanordnung (3), die Position der Kraftein- Wirkung in der Ebene der ersten Elektrodenanordnung (3) ermittelt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Änderung der Kapazität der Elektroden (8, 9) der ersten (3) und zweiten (4) Elektrodenanordnung die Intensität der Krafteinwirkung ermittelt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Krafteinwirkung auf den Polymerschaum die Auswertevorrichtung (21) aktiviert.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der einwirkenden Kraft ermittelt wird.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2523080A1 (de) 2011-05-11 2012-11-14 Heidelberger Druckmaschinen AG System zum Lokalisieren und Identifizieren von wenigstens zwei separaten Gegenständen
EP2410407A4 (de) * 2009-03-19 2013-06-26 Sony Corp Sensorvorrichtung und informationsverarbeitungsvorrichtung
DE102019206206A1 (de) * 2019-04-30 2020-11-05 Continental Teves Ag & Co. Ohg Luftfeder mit kapazitivem Sensor

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014102519A1 (de) 2014-02-26 2015-08-27 Schreiner Group Gmbh & Co. Kg Folienverbund mit elektrischer Funktionalität zum Aufbringen auf ein Substrat
TWI677669B (zh) * 2016-09-20 2019-11-21 友達光電股份有限公司 壓力感測陣列與壓力感測方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE1007462A3 (nl) * 1993-08-26 1995-07-04 Philips Electronics Nv Dataverwerkings inrichting met aanraakscherm en krachtopnemer.
KR100595922B1 (ko) * 1998-01-26 2006-07-05 웨인 웨스터만 수동 입력 통합 방법 및 장치
US9182837B2 (en) * 2005-11-28 2015-11-10 Synaptics Incorporated Methods and systems for implementing modal changes in a device in response to proximity and force indications
US7208960B1 (en) * 2006-02-10 2007-04-24 Milliken & Company Printed capacitive sensor

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2410407A4 (de) * 2009-03-19 2013-06-26 Sony Corp Sensorvorrichtung und informationsverarbeitungsvorrichtung
US9354752B2 (en) 2009-03-19 2016-05-31 Sony Corporation Sensor apparatus and information processing apparatus
EP2523080A1 (de) 2011-05-11 2012-11-14 Heidelberger Druckmaschinen AG System zum Lokalisieren und Identifizieren von wenigstens zwei separaten Gegenständen
DE102011101237A1 (de) 2011-05-11 2012-11-15 Heidelberger Druckmaschinen Ag System zum Lokalisieren und Identifizieren von wenigstens zwei separaten Gegenständen
US8901942B2 (en) 2011-05-11 2014-12-02 Heidelberger Druckmaschinen Ag System for locating and identifying at least two separate items
DE102019206206A1 (de) * 2019-04-30 2020-11-05 Continental Teves Ag & Co. Ohg Luftfeder mit kapazitivem Sensor

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