DE2448398C3

DE2448398C3 - Wägematte

Info

Publication number: DE2448398C3
Application number: DE2448398A
Authority: DE
Inventors: Henry Frederick Clifton Passaic N.J. Miller; Jonathan Birmingham Oakland Mich. Mishory
Original assignee: Uniroyal Inc
Current assignee: Uniroyal Inc
Priority date: 1973-10-10
Filing date: 1974-10-10
Publication date: 1978-04-27
Also published as: DE2448398B2; FR2247714B1; AU7395074A; CH589848A5; IL45819A; DE2448398A1; SE7412649L; GB1475370A; IT1020967B; IL45819A0; CA1013779A; BE820757A; FR2247714A1; US3875481A; NL7413374A; JPS5079360A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wägematte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der GB-PS 12 99 279 bekannten Wägematte dieser Art sind drei elektrisch leitfähige Schichten vorgesehen. Zwischen diese leitfähigen Schichten sind elastisch verformbare Schichten mit Vorsprüngen in Form von Rippen eingelagert. Die Rippen haben dabei im zur Wägematte senkrechten Schnitt eine quadratische Querschnittsfläcbe, Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen bekannten Wägematte Fehlwägungen nicht vermieden werden können, da die Vorsprünge dazu neigen, sowohl unter Druckbelastung als auch unter Scherbelastungen umzuknicken, so daß sich der Abstand zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten nicht nur auf Grund der Kompression der Vorsprünge, sondern auch durch deren Knickung ändert

Aus der DT-OS 19 38 181 ist eine Wägematte bekannt, bei der in eine verformbare dielektrische Schicht zur Verbesserung der Elastizität derselben Hohlräume eingelagert sind, in die Luft oder Gas als kompressibles Medium eingeschlossen ist. Auch bei dieser bekannten Wägematte sind Fehlwägungen nicht berücksichtigt, die auf einer von der Kompression der dielektrischen Schicht abweichenden Verformung beruhen.

Aus der GB-PS 11 15 259 is? eine Wägematte bekannt, die aus Lastzellen aufgebaut ist Diese Lastzellen sind aus federnden Platten aufgebaut, deren Verformung über feste Isolatoren auf Elektroden übertragen wird, zwischen denen elastisches dielektrisches Material angeordnet ist Die federnden Platten sind durch Tragsäulen außerhalb der Elektrodenflächen auf Abstand gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wägematte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der die Gefahr von fehlerhaften Wägungen vermindert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemiäß dadurch gelöst, daß der zur Wägematte senkrechte Querschnitt jedes Vorsprungs die Form eines Trapezes hat.

Durch die trapezförmige Gestaltung der Vorsprünge wird vermieden, daß die Vorsprünge unter hoher Druckbelastung oder durch eine Scherbelastung wegknicken. Die zum Wägen benütttii Kapazitätsänderung zwischen den elektrisch leitenden Schichten ist daher ausschließlich von der Druckverformuing der Vorsprünge bestimmt. Damit sind Fehlwägungen auf Grund sprunghafter Kapazitätsänderungen vermieden, die zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten beim Umknicken von Vorsprüngen auftreten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Wägematte sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die

Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Wägematte, bei der Teilstücke weggebrochen und getrennt dargestellt sind;

F i g. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Wägematte nach Fig. 1, die die elektrischen Verbindungen zu den einzelnen Schichten der Matte zeigt;

Fig.3 ist eine vergrößerte perspektivische Schnittdarstellung einer dielektrischen Schicht der Wägematte nach F i g. 1;

F i g. 4 ist eine grafische Darstellung der Kapazitätsabweichung von der Kapazität einer unbelasteten Wägematte als Funktion der aufgebrachten Druckbelastung bei einer Auslührungsform der Wägematte;

F i g. 5 ist eine vergrößerte perspektivische Schnittansicht einer dielektrischen Schicht einer modifizierten Ausführungsform der Wägematte;

F i g. 6a bis 6d sind vergrößerte perspektivische Teilansichten unterschiedlicher Ausführungsformen von dielektrischen Schichten von Wägematten;

Fig. 7 bis 9 sind perspektivische Ansichten von Wägematten gemäß modifizierten Ausführungsformen.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer Wägematte

10 gezeigt. Die zusammengesetzte Wägematte 10 enthält äußere flexible leitfähige elastomere Schichten

11 und 12 und eine mittig angebrachte flexible leitfähige elastomere Schicht 13, die voneinander durch dielektrische elastomere federnde Schichten t4 und 15 getrennt sind. Die Schichten 11, 12 und 13 können aus einem federnden leitfähigen elastomeren Material mit einer Dicke von beispielsweise 1,78 mmm bestehen. Die beiden dielektrischen Schichten 14 und 15 bestehen aus einer Vielzahl gleichmäßig verteilter paralleler Vorsprünge, die durch Rippen an auf den Innenflächen der leitfähigen Schichten 11 und 12 aufgeklebten Stegen gebildet sind, wobei die Rippen auf die Flächen der leitfähigen Schicht 13 aufgeklebt sind. Die Rippen sind so ausgerichtet, daß die Rippen einer Schicht im rechten Winkel zu den Rippen der anderen Schicht liegen. Die Rippen sii.d im Querschnitt im wesentlichen trapezförmig und voneinander durch einen dünnen Steg 14a getrennt. Gemäß der Darstellung in Fig.2 sind die äußeren leitfähigen Schichten U und 12 mit einem elektrischen Verbindungsanschluß versehen, der beispielsweise aus einer Durchführungshülse 21 besteht, während die Mittelschicht 13 eoenfalls mit einem elektrischen Verbindungsanschluß 20 versehen ist. Die Durchführungshülse 21 verbindet die beiden äußeren leitfähigen Schichten 11 und 12 miteinander zur Bildung einer der Platten eines veränderbaren Kondensators, während der Verbindungsanschluß 20 zum Anschließen an eine geeignete elektronische Schaltung verwendet wird.

Wenn die dünne flexible Wägematte 10 durch eine Druckkraft belastet wird, wird wegen der Druckverformung der dielektrischen Schichten 14 und 15 eine Veränderung der Kapazität bewirkt, wobei die Verformung die Abstände zwischen den leitfähigen Schichten 11,12 und 13 verändert. Diese Änderung der Kapazität wird durch eine geeignete elektronische Vorrichtung so gemessen, daß sie entweder als eine Änderung der Kapazität in pF oder als Größe der Druckbelastung in geeigneten Einheiten angezeigt wird.

Die Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht der flexiblen dielektrischen Schicht 14. Gemäß der Darstellung sind benachbarte Rippen 30 und 32 mit trapezförmigem Querschnitt unter einer Teilung /' verteilt. Die Breite der längeren Parallelseite des Trapezes ist mit W bezeichnet, während die Breite der gegenüberliegenden kürzeren Parallelseite mit T bezeichnet ist. Die Höhe des Trapezes ist mit Λ

s bezeichnet. Der Steg 14a, der zwei benachbarte Rippen 30 und 32 verbindet, hat eine Breite Sund eine Dicke d

Die Auswahl der Parameter W, T. h, Sund t/bestimmt zum Teil die Belastungstragfähigkeit und die Empfindlichkeit der Wägematte. Die Belastungstragfähigkeit

ίο bedeutet dabei die größte Druckbelastung, für die die Änderung der Kapazität als eine Funktion der Druckbelastung eine innerhalb vorgewählter Grenzen von beispielsweise 5% lineare Funktion darstellt. Bei Belastungen über diesen Wert hinaus wird die Änderung der Kapazität durch Druckbelastung wegen übermäßiger Verformungen innerhalb des Aufbaus zunehmend nichtlinear. Die Empfindlichkeit ist als Kapazitätsänderung je Druckbelastungseinheit definiert.

Es wurde ermittelt, daß für eine zufriedenstellende Wirkungsweise die geometrisch Form des Querschnitts einer einzelnen dielektrischen fchicht innerhalb der folgenden Grenzwerte liegen sollte:

< Η/Λ < 4 .

Da'- Verhältnis der Breite der längeren Parallelseite des Trapezes zu der Höhe, W/h, kann von einem Wert von ungefähr nicht mehr als 4 bis zu einem Wert nahe, jedoch nicht gleich 1 variieren. Der Wert 1 entspricht }o einem quadratischen Querschnitt, der relativ geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber Scherbelastung aufweisen würde. Für Werte von W/h über 4 ist die Empfindlichkeit der Wägematte über ein praktisches Minimum hinaus verringert.

0 < S < M'. (2)

Der Abstand zwischen benachbarten Rippen kann von 0 oder genauem Berühren der längeren Parallelseiten bis zu einem maximalen Abstand variieren, der gleich der längeren Parallelseite des Trapezes ist. Bei Abständen S über der längeren Parallelseite des T.apezes treten übermäßige Verformungen in dem Rippenaufbau auf, die eine nichtlineare Abhängigkeit zwischen der Veränderung der Kapazität und der

4«, Druckbelastung zur Folge haben.

Die Dicke des Stegs kann von 0, das heißt dem Weglassen des Stegs, bis zu einem maximalen Wert variieren, der gleich der Hälfte der Höhe h des Trapezes ist. Eine Stegdicke über diesem maximalen W^rt verursacht das Absinken der Empfindlichkeit unter ein ora'-luches Minimum.

W 10

< T < W.

Die kürzere Parallelseite des Trapezes kann von einem Zehntel der längeren Parallelseite bis zu deren voller Länge ^variieren, wobei die letztere Bedingung eine dielektrische Schicht mit rechteckig geformten Rippen ergäbe. Bei Werten von weniger als W/iO treten örtliche Verformungen der Rippen auf, die eine nichtlineare Funktion ergeben. AuUerdem verringert

f.; sich für Werte von weniger als VVVlO die Belastungsfähigkeit der Matte gegenüber Scherungsbelastungen merklich.

In der F i κ. 5 ist eine dielektrische Schicht 35

dargestellt, bei der die Vorspriinge oder Rippen zwischen der kürzeren und der längeren Parallelseite gekrümmte Seiten 36 aufweisen. Die gekrümmten Seiten 36 können zum Beispiel parabolische Gestalt haben und konkave Rippenseiten gemäß der Darstellung durch ausgezogene Linien oder konvexe Rippenseiten gemäß der Darstellung durch gebrochene Linien bilden. Die Krümmung der Rippenseiten erlaubt die Konstruktion einer Wägematte, bei der die Empfindlichkeit zum Erfüllen besonderer Erfordernisse geänc'ert werden kann, wobei sie für manche Anwendungszwecke linear oder nichtlinear sein kann. Die Größen der Rippen sind in der in Verbindung mit der Ausführung nach F i g. I beschriebenen Art zu bemessen.

In F i g. 6a ist eine dielektrische Schicht 40 dargestellt, bei der Vorspriinge 41 für sich eine im wesentlichen kegelstumpifönnige Gestalt haben. Die Querschnitte der Vorspriinge 41 können auch gekrümmte Seiten zwischen den längeren und den kürzeren Parallelseiten haben. Die Ausmaße der Vorsprünge sind vorzugsweise ähnlich den in Verbindung mit der Ausführung nach F i g. 1 beschriebenen auszulegen, wobei die Abstände 5 zwischen angrenzenden Vorsprüngen in zueinander senkrechten Richtungen nicht größer als die längere Parallelseite eines jeden Vorsprungs sein sollen. Die Vorsprünge nach F i g. 6a stehen in einer symmetrischen Anordnung in beiden zueinander senkrechten Abstandsrichtungen zwischen angrenzenden Vorsprüngen. Die Anzahl der Vorsprünge je Flächeneinheit oder die Dichte stellt einen Faktor zum Steuern der Empfindlichkeit der Wägematte dar.

In F i g. 6b ist eine dielektrische Schicht 45 dargestellt, bei der die Vorsprünge 46 einzeln für sich Pyramidenstumpfform haben. Die Querschnitte der Vorsprünge 46 können auch zwischen den längeren und den kürzeren Parallelseiten gekrümmte Seiten haben. Für die Ausführungsform nach F i g. 6b sind die in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 6a angeführten Kriterien und Prinzipien gültig. Die F i g. 6c und 6d stellen Ausführungsformen dar, die denjenigen nach F i g. 6a bzw. 6b ähnlich sind, wobei aber die Abstände zwischen angrenzenden Vorsprüngen in zueinander senkrechten Richtungen unterschiedlich sind, um in einer Richtung eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Scherung zu erhalten.

In Fig. 7 ist eine Wägematte dargestellt, die eine dielektrische Schicht 50 mit trapezförmigen Rippen in einem Fischgrätenmuster und eine dielektrische Schicht 51 mit trapezförmigen Rippen in einem Fischgrätenmuster in der entpi-prngr^et/ien Richtung aufweist. Die Rippen sind symmetrisch und bezüglich des äußeren Umfangs der Wägemattc schräg verlaufend angeordnet, so daß sie eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Scherungskrafl in Richtung des Pfeils im Vergleich mit der Ausführungsform nach Fig. I bietet bei der eine dielektrische Rippenschicht weniger Widerstand gegenüber Scherungskrafl rechtwinklig /u dem Umfang der Matte ergibt. Bei der Ausfiihrungsform nach F i g. 7 kann durch Formen einer schmalen Lücke in den Rippen an den Scheiteln eine steife Zone entlang des Scheitels eines jeden Fischgrätenmusters vermieden werden.

In Fig. 8 ist eine Wägematte dargestellt, die eine dielektrische Schicht 60 mit parallel zu einer Diagonale der Matte angeordneten trapezförmigen Rippen und eine dielektrische Schicht 61 mit parallel zu der anderen Diagonale der Matte angeordneten trapezförmigen Rippen aufweist. Die Rippen sind symmetrisch und im Beispiel schräg unter 45°-Winkeln bezüglich des äußeren Umfangs der Wägematte angeordnet, so daß eine verbesserte minimale Widerstandsfähigkeit gegenüber Scherkraft in jeder Richtung rechtwinklig zu der Matte geboten ist, wenn man mit der Ausführungsform nach F i g. 1 vergleicht. Während für die Rippen nach den Fig. 7 und 8 Winkel von 45" dargestellt worden sind, können für manche Anwendungen andere Winkel wünschenswert sein, wie z. B. Winkel von 60" in beiden dielektrischen Schichten bezüglich der Richtung der anliegenden Scherungskraft. Unabhängig von dem gewählten Winkel sollte die Rippenanordnung symmetrisch um die Richtung der angelegten Scherungskraft herum angebracht sein.

Die Fig. 9 stellt eine der Wägematte nach F i g. 1 ähnliche Wägematte dar, wobei aber leitfähige Schichten 70, 71, 72 aus elastischen Materialien wie Metallen, beispielsweise Aluminium, Stahl, Kupfer und dergleichen bestehen. Zum Abschließen der Kanten der Wägematte kann ebenso wie bei anderen Ausführungsformen ein auf Druck ansprechendes Band verwendet werden. Hinsichtlich der Materialien für die leitfähigen und die dielektrischen Schichten ist es wünschenswert, daß die Kriechdehnung- und Hystereseeigenschaften der elastomeren Bestandteile minimal sind. Die Schichten müssen dick genug sein, damit sie sich unter den angelegten Belastungen elastisch verhalten und unelastische Verformungen verhindert werden, die sich außer den durch die aufgebrachte Belastung gegebenen örtlichen Verformungen in der Rippenstruktur ergeben, was einen fehlerhaften Ausgabewert verursacht.

Hier/u 5 Blatt Zeiclinunecn

Claims

Patentansprüche:

1. Wägematte mit mindestens zwei elektrisch leitfähigen Schichten, die voneinander durch eine elastisch verformbare dielektrische Schicht mit Vorsprüngen getrennt sind, wobei jeder Vorsprung zwei jeweils einer leitfähigen Schicht zugewandte Parallelflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Wägematte senkrechte ,₀ Querschnitt jedes Vorsprungs (30, 32; 41; 46) die Form eines Trapezes hat

2. Wägematte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längere Parallelseitt: (W) des Trapezes größer als seine Höhe (h)\s\.

3. Wägematte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kürzere Parallels.eite (T) des Trapezes nicht kürzer als Vio seiner längeren Parallelseite (W) ist

4. Wägematte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (S) zwischen den längeren Parallelseiten (W) zweier benachbarter Vorsprünge (30, .12; 41; 46) nicht länger als die längere Parallelseite (W)\st

5. Wägematte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (35; 40; 45) eine mit den Vorspriingen (30, 32; 41; 46) einstückige Grundschicht aufweist, deren Dicke (d) nicht größer als die halbe Höhe (h) des Trapezes ist

6. Wägematte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Schichten (11, 12, 13) und die dielektrischen Schichten (f 4,15) elastomere Uiaterialien aufweisen.

7. Wägematte nach ei.iem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet daß di leitfähigen Schichten (70, 71, 72) elastisches Material und die dielektrischen Schichten elastomeres Material aufweisen.

8. Wägematte nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch drei elektrisch leitfähige Schichten (11,12,13; 70, 71,72), zwischen denen sich jeweils eine elastisch verformbare dielektrische Schicht (14, 15; 35; 40; 45; 50, 51; 60, 61) befindet, wobei die Vorsprünge (30, 12; 41; 46) der beiden dielektrischen Schichten gleiche Querschnittsform haben.

9. Wägematte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (36) des Trapezes gekrümmt verlaufen.

10. Wägematte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dal) die Vorsprünge (30,32) langgestreckte Rippen sind.

11. Wägematte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (41) eine im wesentlichen kegelstumpfförmijje Gestalt zufweisen.

12. Wägematte nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (46) eine im wesentlichen pyramidenstumpfförnige Ge- 1,0 statt aufweisen.

13. Wägematte nach den Ansprüchen 8 und lö, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (30,32) der dielektrischen Schichten (14,15; 35) im wesentlichen zueinander parallel verlaufen und daß die dielek- <^ Irischen Schichten zueinander so angeordnet sind, daß die Rippen der einen dielektrischen Schicht im wesentlichen rechtwinklig zu den Rippen der

anderen dielektrischen Schicht verlaufen.

14. Wägematte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge symmetrisch und bezüglich des äußeren Umfangs der Matte schrägliegend angeordnet sind.

15. Wägematte nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen benachbarten Vorsprüngen (41, 46) in zueinander senkrechten Richtungen gleich sind.