DE602004007689T2

DE602004007689T2 - Sensor

Info

Publication number: DE602004007689T2
Application number: DE602004007689T
Authority: DE
Inventors: Thomas Larissa PAPAKOSTAS; Christopher Lynn GEORGE; Charles Medfield MALACARIA; Mark Sharon LOWE
Original assignee: Tekscan Inc
Current assignee: Tekscan Inc
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2024-10-05
Also published as: EP1700091B1; EP1700091A1; US20050268699A1; WO2005068961A1; DE602004007689D1; US7258026B2; US6964205B2; US20050145045A1; CA2551153A1; CA2551153C; JP2007517216A

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Sensoren und spezieller einen Sensor, der mehrere Sensorelemente aufweist, die auf einem relativ dünnen Substratmaterial ausgebildet sind.
Erörterung der verwandten Technik
Es gibt Sensoren, die Kraft oder Druck auf Oberflächen erfassen. In einem Beispiel ist der Sensor auf einem dünnen flachen Substrat ausgebildet. Wie in 1 gezeigt, die eine schematische Darstellung eines montierten Sensors des Standes der Technik ist, beinhaltet der Sensor 10 insbesondere mehrere Reihenelektroden 20a, die auf einer ersten Hälfte eines relativ dünnen Substratmaterials 40 ausgebildet sind, und mehrere Spaltenelektroden 20b, die auf einer zweiten Hälfte des relativ dünnen Substrats ausgebildet sind. Die erste Hälfte des Substrats wird dann auf die zweite Hälfte gefaltet oder auf andere Weise darüber gelegt, so dass die Reihen- und Spaltenelektroden sich schneiden. Ein Sensorelement 30 wird zwischen den Substratschichten an der Grenzfläche einer Reihen- und Spaltenelektrode angeordnet. Zum Erzeugen des Sensorelementes wird vor dem Platzieren des ersten Substrats auf dem zweiten eine druckempfindliche Farbe am Schnittpunkt von und zwischen einer Reihenelektrode 20a und einer Spaltenelektrode 20b abgesetzt. Die leitende Farbe wird elektrisch mit den Reihen- und Spaltenelektroden gekoppelt. Am Schnittpunkt wirkende Kräfte bewirken eine entsprechende Änderung des elektrischen Widerstands der druckempfindlichen Farbe, die, über die Spalten- und Reihenelektroden, nachfolgend von einer Steuerschaltung erfasst wird. Der resultierende Drucksensor in 1 ist als eine Sensormatrix angeordnet, wobei individuelle Sensorelemente in Reihen 42 und Spalten 44 angeordnet sind.
Ein Beispiel für einen solchen Sensor ist in dem gemeinschaftlich zugewiesenen US-Patent 4,856,993 beschrieben, das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
In einer Ausgestaltung wird ein Sensor bereitgestellt. Der Sensor beinhaltet wenigstens eine Substratschicht und mehrere individuelle Sensorelemente, die betriebsmäßig mit Bezug auf die Substratschicht angeordnet sind. Auf der Substratschicht sind eine erste und eine zweite Leiterbahn angeordnet. Jede Leiterbahn ist elektrisch mit wenigstens einem Sensorelement gekoppelt und jede Leiterbahn verläuft in einem spiralförmigen Muster von dem wenigstens einen Sensorelement beabstandet wenigstens teilweise darum herum.
In einer anderen Ausgestaltung wird ein Sensor bereitgestellt, der sich der Form einer Oberfläche anpasst. Der Sensor hat eine Substratschicht und mehrere individuelle Sensorelemente zum Messen eines gewünschten Parameters. Die mehreren Sensorelemente definieren eine Sensorebene. Die Sensorelemente sind in Bezug auf die Substratschicht so angeordnet, dass sich jedes Sensorelement in einer Richtung lotrecht zur Sensorebene und im Wesentlichen unabhängig von einem benachbarten Sensorelement bewegt, das sich in einer Richtung lotrecht zur Sensorebene bewegt.
In noch einer anderen Ausgestaltung wird eine Sensormatrix zum Messen eines gewünschten Parameters bereitgestellt. Der Sensor beinhaltet eine Substratschicht und mehrere individuelle Sensorelemente, die betriebsmäßig in Bezug auf die Substratschicht angeordnet sind und eine Sensorebene definieren. Der Sensor hat auch mehrere Leiterbahnen, die die Sensorelemente verbinden. Jedes Sensorelement ist in direktem elektrischem Kontakt mit wenigstens einer jeweiligen Leiterbahn. In der Substratschicht sind mehrere Schlitze ausgebildet. Die Schlitze sind jeweils zwischen benachbarten Sensorelementen angeordnet. Die Schlitze lassen es zu, dass sich ein Sensorelement lotrecht zur Sensorebene bewegt.
In noch einer anderen Ausgestaltung wird ein Kraftsensor zum Messen einer auf eine Oberfläche wirkenden Kraft bereitgestellt. Der Sensor beinhaltet eine erste und eine zweite dünne, flexible Substratschicht, die in einer einander zugewandten Beziehung angeordnet sind, und eine auf der ersten Substratschicht ausgebildete erste Mehrzahl von Leiterbahnen und eine auf der zweiten Substratschicht ausgebildete zweite Mehrzahl von Leiterbahnen, wobei die ersten und die zweiten Leiterbahnen einander zugewandt sind. Der Sensor beinhaltet ferner eine Mehrzahl von individuellen Kraftsensorelementen, die zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht angeordnet und elektrisch mit den ersten und zweiten Leiterbahnen verbunden sind. Die ersten und zweiten Leiterbahnen haben jeweils einen Abschnitt, der in einem spiralförmigen Muster von dem Sensorelement ausgehend teilweise darum herum verläuft. Durch die erste und die zweite Substratschicht sind mehrere Schlitze ausgebildet. Die Schlitze lassen es zu, dass sich die Sensorelemente bewegen, so dass sich ein Sensorelement relativ zu benachbarten Sensorelementen bewegen kann.
Verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bieten bestimmte Vorteile und überwinden bestimmte Begrenzungen früherer Sensoren. Ausgestaltungen der Erfindung haben möglicherweise nicht dieselben Vorteile und diejenigen, die sie haben, haben sie möglicherweise nicht unter allen Umständen. Zudem können die Elemente einer hierin beschriebenen besonderen Sensorausgestaltung in jeder geeigneten Kombination angeordnet sein, um eine andere Ausgestaltung bereitzustellen, da die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Teils eines herkömmlichen Kraftsensors;
2 eine schematische Darstellung eines Teils einer Ausgestaltung eines Sensors der vorliegenden Erfindung;
3A eine schematische Darstellung eines Teils des Sensors gemäß einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
3B eine schematische Perspektivansicht eines Sensorelementes, das sich relativ zu umgebenden Sensorelementen frei bewegen kann;
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des Sensors von 3A;
5 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des Sensors von 3A;
6 eine schematische Darstellung eines Teils einer anderen Ausgestaltung des Sensors;
7 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des Sensors von 6;
8 eine schematische Perspektivansicht eines Sensors vor der Montage;
9 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausgestaltung des Sensors der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausgestaltung des Sensors der vorliegenden Erfindung;
11 eine Kurve, die die Beziehung des auf das Widerstandsfarbenmaterial aufgebrachten Drucks und des spezifischen Widerstands davon zeigt;
12 eine schematische Darstellung eines Teils der Leiterbahnen vor der Montage; und
13 eine schematische Darstellung der Leiterbahnen von 12, die zu einem Sensor zusammengefügt wurden.
Beschreibung von illustrativen Ausgestaltungen Aspekte der Erfindung betreffen Sensoren mit einem Netzwerk von Sensorelementen, die ähnlich wie frühere Kraftsensoren, wie die mit Bezug auf 1 oben beschriebenen, auf einem Substrat angeordnet sind. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist jedoch wenigstens ein Abschnitt der Leiterbahn, die elektrisch mit einem individuellen Sensorelement verbunden ist, von dem Sensorelement beabstandet und verläuft wenigstens teilweise um dieses herum.
In einigen Fällen sollen möglicherweise gewünschte Parameter oder Messwerte wie z.B. Temperatur, Druck, Kraft, Vibrationen usw. über eine unregelmäßig geformte (z.B. gekrümmte, nichtplanare usw.) Oberfläche oder eine starken Verformungen ausgesetzte Oberfläche erfasst werden. Während frühere Sensoren über eine relativ planare Oberfläche wirkende Kräfte akkurat messen, kann ein solcher Sensor knittern, wenn er auf eine unregelmäßig geformte Oberfläche aufgebracht wird oder wenn er starke Verformungen ausgesetzt ist, und kann daher die wirkenden Kräfte möglicherweise nicht so genau erfassen. Daher beinhaltet der Sensor gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung individuelle Sensorelemente, die sich relativ zu einem benachbarten Sensorelement bewegen können, so dass dieser Sensor den Konturen der Oberfläche des Werkstücks besser folgen oder der Verformung der Werkstückoberfläche anderweitig folgen kann, wenn er eine Ablenkkraft erfährt. Die Verwendung eines solchen formgerechten Sensors ermöglicht eine genauere Erfassung von Informationen wie Kraft, Druck, Temperatur oder Vibrationen usw., die auf eine Oberfläche wirken. Es ist zu verstehen, dass der oben beschriebene Sensor zwar beim Messen von Parametern auf unregelmäßig geformten oder starken Verformungen ausgesetzten Oberflächen vorteilhaft sein kann, aber die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht begrenzt und ein solcher Sensor kann auch zum Erfassen gewünschter Parameter auf einer planaren Oberfläche verwendet werden.
Wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird, kann das Substrat Schlitze aufweisen, die zwischen benachbarten Sensorelementen oder Sensorelementegruppen angeordnet sind, oder kann Ausschnitte aufweisen, bei denen Material zwischen Sensorelementen oder Sensorelementegruppen entfernt wurde, oder eine Kombination aus Schlitzen und Ausschnitten, um ein individuelles Sensorelement oder eine Sensorelementegruppe von den anderen zu befreien, so dass sich die individuellen Sensorelemente oder die Sensorelementegruppe relativ zu den anderen Sensorelementen bewegen können/kann.
In einigen Ausgestaltungen sind die Sensorelemente in einem rasterähnlichen Muster angeordnet, während die Sensorelemente in anderen Ausgestaltungen in einem zufälligen Muster auf dem Substrat angeordnet sind. Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist und dass auch andere Anordnungen, wie beispielsweise sich wiederholende, nicht rasterähnliche Muster, zum Einsatz kommen können.
Bestimmte hierin beschriebene Ausgestaltungen betreffen zwar das Messen von Kräften, aber die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht begrenzt und der Sensor kann auch zum Erfassen anderer Parameter wie Druck, Temperatur, Vibrationen usw. oder einer beliebigen Kombination dieser oder anderer Parameter verwendet werden.
Nun mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 2, diese zeigt einen Teil eines montierten Sensors 50 gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt. Der Sensor 50, der als Kraftsensor, Drucksensor, Temperatursensor, Vibrationssensor oder als Sensor irgendeines anderen Parameters konfiguriert sein kann, beinhaltet mehrere Sensorelemente 60. Der Sensor hat eine obere Substratschicht 61 aus einem flexiblen Material, auf der mehrere obere Elektroden (die nachfolgend als obere Leiterbahnen bezeichnet werden) ausgebildet ist, und eine untere Substratsicht (nicht dargestellt) aus einem flexiblen Material, auf dem mehrere untere Elektroden (die auch als untere Leiterbahnen bezeichnet werden) ausgebildet sind. Jede Leiterbahn hat eine Sensorelementkontaktstelle, die aus einer vergrößerten Fläche der Leiterbahn gebildet und elektrisch mit einem Sensorelement gekoppelt ist, so dass sich das Sensorelement zwischen einer oberen Leiterbahn und einer unteren Leiterbahn befindet und elektrisch damit gekoppelt ist. Wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird, wenn das Sensorelement als Kraftsensor ausgebildet ist, dann ist zwischen der oberen und der unteren Leiterbahn und, in einer Ausgestaltung, auf der Sensorelementkontaktstelle eine druckempfindliche Schicht angeordnet. Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist und dass keine Sensorelementkontaktstelle verwendet zu werden braucht. In dieser Hinsicht kann das Sensorelement auf dem Hauptteil der Leiterbahn angeordnet sein. Eine oder mehrere Isolierschicht(en) kann/können zwischen der oberen und der unteren Substratschicht angeordnet sein, um die obere und die untere Leiterbahn voneinander zu isolieren. Jede Leiterbahn 80 ist mit einem jeweiligen Anschluss (nicht dargestellt) verbunden, über den eine elektrische Verbindung mit der Leiterbahn und nachfolgend mit dem Sensorelement erfolgt.
Die bisher mit Bezug auf 2 beschriebene Sensoranordnung ist im Aufbau der oben mit Bezug auf 1 beschriebenen ähnlich, einschließlich des Sensors, der mit Bezug auf das gemeinschaftlich zugewiesene US-Patent 4,856,993 beschrieben wurde. In dem illustrativen Beispiel von 2 ist die Leiterbahn jedoch mit wenigstens einem Sensorelement verbunden und hat einen Abschnitt, der von dem wenigstens einen Sensorelement beabstandet wenigstens teilweise um dieses herum verläuft. Auf diese Weise verläuft wenigstens ein Abschnitt 84 auf spiralförmige Weise um das Sensorelement herum.
In dieser besonderen Ausgestaltung sind die Sensorelemente zwar in einer Matrix auf dem Substrat 70 in Reihen 86 und Spalten 88 angeordnet, wie nachfolgend erörtert wird, aber die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht begrenzt.
Wie oben beschrieben, kann es in einigen Fällen vorteilhaft sein es zuzulassen, dass sich die Form des Sensors an eine unregelmäßig geformte oder eine Oberfläche anpasst, die relativ starke Ablenkungen erfährt, wenn eine Kraft darauf wirkt. In einer Ausgestaltung kann sich eines aus der Mehrzahl von Sensorelementen unabhängig von anderen Sensorelementen bewegen. Wenn also eine Ablenkkraft auf zwei benachbarte Sensorelemente 60 aufgebracht wird, dann können sich beide Sensorelemente infolge der Ablenkung bewegen, aber eine Bewegung eines bestimmten Sensorelementes lediglich aufgrund einer Bewegung eines benachbarten Sensorelementes ist begrenzt. Diese unabhängige Bewegung von Sensorelementen 60 trägt dazu bei, dass sich der Sensor der Oberfläche besser anpasst.
Es ist zu verstehen, dass in der oben beschriebenen Ausgestaltung eine Bewegung jedes Sensorelementes zwar im Wesentlichen von einer Bewegung eines benachbarten Sensorelementes unabhängig ist, aber die vorliegende Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht begrenzt. So können z.B. Gruppen von zwei oder mehr Sensorelementen auf eine gemeinsame Bewegung beschränkt werden, und doch ist eine Bewegung einer bestimmten Gruppe von Sensorelementen im Wesentlichen von der Bewegung eines/r benachbarten Sensorelementes oder Sensorelementegruppe unabhängig.
In einer Ausgestaltung ist der Sensor mit mehreren Ausschnitten ausgebildet, damit sich das Sensorelement bewegen kann. Insbesondere werden, wieder mit Bezug auf 2, Abschnitte des Sensormaterials (z.B. Substrat, Isolierschicht usw.) von geeigneten Stellen entfernt, um es zuzulassen, dass sich jedes Sensorelement relativ zu einem anderen Sensorelement bewegt. In der gezeigten Ausgestaltung werden Ausschnitte an Stellen zwischen Sensorelementen 60 und Leiterbahnen ausgebildet. So sind die Ausschnitte beispielsweise an Stellen ausgebildet, die an die Leiterbahnen 80 und die Sensorelemente 60 angrenzen, so dass die Form des Ausschnitts im Wesentlichen der Form des Raums zwischen den Leiterbahnen 80/Sensorelementen 60 entspricht. Wie in 2 gezeigt, ist in einer Ausgestaltung wenigstens ein in dem Sensor 50 ausgebildeter Ausschnitt 140 zwischen mehreren Sensorelementen positioniert und ist im Allgemeinen diamant- oder rautenförmig. Dieser allgemein diamant- oder rautenförmige Ausschnitt 142 kann eine Schwanzsektion 144 aufweisen, die um wenigstens einen Abschnitt eines Sensorelementes 60 herum verläuft, während dieses neben der Leiterbahn entlang verläuft. Der Ausschnitt kann von der Leiterbahn und dem Sensorelement beabstandet sein.
Wie oben erörtert, können Gruppen von zwei oder mehr Sensorelementen so beschränkt sein, dass sie sich zusammen bewegen, und doch ist eine Bewegung einer bestimmten Gruppe von Sensorelementen von der Bewegung eines/r benachbarten Sensorelementes oder Sensorelementegruppe im Wesentlichen unabhängig. Dies kann im vorherigen Beispiel dadurch erzielt werden, dass individuelle Sensorelemente physisch aneinander gefügt werden (z.B., es wird kein Material zwischen Sensorelementen der Gruppe entfernt).
Anstatt Ausschnitte zu bilden, wird der Sensor in einer Ausgestaltung mit mehreren Schlitzen ausgebildet, damit sich das Sensorelement oder die Sensorelementegruppe bewegen kann. 3A zeigt einen Teil des Sensors 50, der mehrere Schlitze 90 beinhaltet (als gestrichelte Linien angedeutet), die durch die Substratschicht 70 und eventuelle Zwischenschichten (Isolierschichten) ausgebildet sind. Die mehreren Schlitze 90 befindet sich an geeigneten Stellen, damit sich wenigstens ein Sensorelement relativ zu einem anderen bewegen kann. In der in 3A gezeigten Ausgestaltung werden Abschnitte der Schlitze 90 neben dem Abschnitt 84 der Leiterbahn ausgebildet, die um ein Sensorelement herum verläuft, während andere Abschnitte der Schlitze 90 zwischen mehreren Sensorelementen 60 positioniert sind. Diese Schlitze können jede beliebige geeignete Form haben (z.B. linear oder nichtlinear), da die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist. So beinhalten die Schlitze z.B., wie in 3A gezeigt, einen Abschnitt 92, der einem linearen Pfad folgt, und einen Abschnitt 94, der einem nichtlinearen Pfad folgt. Es sind auch andere Formen möglich, da die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist.
Um eine zusätzliche Bewegung des Sensorelementes wie in 3A gezeigt zu ermöglichen, kann ein zusätzlicher Schlitz vorgesehen werden, der andere Schlitze schneidet, um einen Schnittschlitz 96 zu bilden. Der Schnittschlitz 96 kann sich wie gezeigt zwischen mehreren Sensorelementen befinden.
In einer Ausgestaltung folgt/folgen ein oder mehrere Schlitze der Form von wenigstens einem Abschnitt der Leiterbahn im Wesentlichen in derselben Weise, wie die Ausschnitte dem von den Bahnen und Sensorelementen begrenzten Bereich folgen.
3B ist eine schematische Perspektivansicht eines Teils eines Sensors 50, einschließlich der neben den Leiterbahnen und Sensorelementen ausgebildeten Schlitze zum Erzeugen eines allgemein diamant- oder rautenförmigen Schlitzes, wo sich die individuellen Sensorelemente relativ zu den umgebenden Sensoren frei bewegen können. Wie zu sehen ist, kann sich ein Sensorelement 60 somit in einer Richtung lotrecht zur Ebene des Substrats 70 bewegen. Zusätzlich können sich die Sensorelemente auch in einer Richtung innerhalb einer Ebene des Sensors bewegen. Ferner können sich die Sensorelemente in einer diagonalen Richtung bewegen, so dass sie sowohl in einer Richtung aus der Ebene des Substrats hinaus als auch in einer Richtung parallel zur Ebene verlaufen können. Diese Bewegung der Sensorelemente kann deshalb vorteilhaft sein, weil sie die Dehnungs- und Formanpassungsfähigkeit des Sensors erhöht.
Wie in den 2, 3A und 3B illustriert, lässt es die Sensoranordnung zu, dass sich jedes Sensorelement in einer Richtung lotrecht zur Sensorebene (d.h. in der z-Achse) und/oder in einer Richtung parallel zur Sensorebene (x-Achse und y-Achse) bewegt, wobei jede Leiterbahn in einem spiralförmigen Muster um ihr jeweiliges Sensorelement herum verläuft. Diese Ausgestaltung kann dabei helfen, benachbarte Sensorelemente zu disassoziieren, so dass eine Bewegung eines Sensorelementes im Wesentlichen nicht zu einer Bewegung eines anderen Sensorelementes beiträgt. Eine Bewegung jedes Sensorelementes in der x-, y- und z-Achse kann genauere Ermittlungen des Ortes und der Größe des erfassten Parameters über eine Oberfläche ergeben. Diese zusätzliche Sensorelementbewegung kann es ferner zulassen, dass sich der Sensor der Form einer unregelmäßig geformten Oberfläche anpasst.
Die von einem individuellen Sensorelement erfahrene Bewegungsmenge kann von einer Reihe von Faktoren abhängen. So können beispielsweise Länge, Breite und Material der Leiterbahn die Menge an Sensorelementebewegung bestimmen. Typischerweise gilt, je länger die Leiterbahn (je länger die Spirale um ein individuelles Sensorelement), desto größer die Bewegungsfähigkeit. Ebenso gilt, je dicker die Leiterbahn, desto geringer die Bewegungsfähigkeit. Ferner gilt im Allgemeinen, je starrer das Material der Leiterbahn, desto weniger Bewegung. In einer Ausgestaltung beträgt die Sensorelementbewegung in der z-Achse etwa 1 cm.
Während sich der Sensor den Konturen einer Oberfläche oder der Verformung eines Werkstücks anpasst, das eine Ablenkkraft erfährt, kann es zu Spannungen an den Rändern oder am Ende eines in der Substratschicht ausgebildeten Schlitzes kommen. Die Substratschicht 70 kann je nach dem Material der Substratschicht und eventueller Zwischenschichten (z.B. Isolierschichten) reißen, so dass die elektrische Verbindung beschädigt werden kann. Um ein Ausbreiten eines Schlitzes zu verhindern, kann es in einer Ausgestaltung vorteilhaft sein, Entspannungslöcher am Ende des Schlitzes vorzusehen. Diese Löcher reduzieren die Wahrscheinlichkeit einer Ausbreitung von Schlitzen, da sie Schwächepunkte auf dem Substrat eliminieren. In einer in 4 gezeigten Ausgestaltung sind relativ kleine Entspannungslöcher 116 an beiden Enden eines Schlitzes 114 ausgebildet.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Schlitzausbreitung dadurch minimiert werden, dass die Enden des Schlitzes mit einer allmählichen Kurve versehen werden. Auch das Vorsehen eines hakenförmigen Musters am Ende des Schlitzes kann dazu beitragen, die Schlitzausbreitung minimal zu halten. In der in 5 gezeigten Ausgestaltung ist ein Schlitz 124 auf der Substratschicht 112 ausgebildet, wobei sich eine hakenförmige Kurve 126 an jedem Endpunkt des Schlitzes befindet. Wenn die Substratschicht 112 eine relativ hohe Spannung erfährt, kann der Schlitz auf der Substratschicht reißen, aber wenn sich dieser Riss ausbreitet, dann geht er wieder zurück in den Schlitz. Dies kann zwar zu einem kleinen Loch im Substratmaterial führen, aber die Wahrscheinlichkeit einer Ausbreitung dieses Risses in umgebende Bereiche der Substratschicht 112 wird minimiert. Ferner wirkt, wenn ein Riss in einem kleinen Loch in dem Substratmaterial resultiert, das Loch selbst als Entspannung und reduziert, wie oben beschrieben, ein zusätzliches Reißen der Substratschicht.
In einer anderen Ausgestaltung kann jedes Sensorelement mit einer Leiterbahn an mehr als einer Stelle auf dem Sensorelement gekoppelt werden. Wie in 6 gezeigt, weist der Sensor 180 Leiterbahnen 190, 192 auf, die in einem spiralförmigen Muster um ein jeweiliges Sensorelement 60 herum verlaufen. Ein solcher Sensor 180 kann ferner ein oder mehrere der oben erwähnten Schlitze oder Ausschnitte aufweisen, die in dem Substrat ausgebildet sind, um es zuzulassen, dass sich jedes Sensorelement 60 unabhängig von benachbarten Sensorelementen 62 bewegt. Auf diese Weise wird das Sensorelement an wenigstens zwei Stellen um das Sensorelement herum unterstützt, kann sich aber nach Bedarf bewegen.
Viele der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen illustrieren zwar einen Sensor mit in linearen Reihen und Spalten lotrecht zueinander angeordneten Sensorelementen und Leiterbahnen, aber in einer anderen illustrativen Ausgestaltung wie in 7 gezeigt sind Reihen 200 und Spalten 202 von Sensorelementen 60 versetzt angeordnet, so dass eine Reihe 204 von verbundenen Sensorelementen und eine Spalte 206 von verbundenen Sensorelementen 60 nicht lotrecht zueinander sind. Der Pfad jeder Reihe 204 und Spalte 206 des Sensorelementes wird durch das Muster jeder Leiterbahnschicht bestimmt. In einer in 7 gezeigten Ausgestaltung ist eine Reihe 204 von Sensorelementen in einem Winkel A positioniert, der kleiner als 90 Grad, etwa 60 Grad, relativ zu einer Spalte 206 von Sensorelementen ist. Diese besondere Ausgestaltung wird durch einen linearen Versatz 208 jeder zweiten Spalte in Bezug auf eine Nachbarspalte von Sensorelementen 60 erzielt. Es ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist und dass auch andere geeignete Versatzwinkel möglich sind, wie z.B. 30 Grad und 45 Grad.
Es ist zu verstehen, dass die Leiterbahnen in einer Reihe und/oder Spalte nicht unbedingt gerade zu sein brauchen. Stattdessen verlaufen die Bahnen, wenn sie auch kontinuierlich sind, über einen beliebigen gewünschten Pfad und werden als in einer Reihe oder Spalte verlaufend oder liegend designiert. Das heißt, eine in einem beliebigen gewünschten Pfad verlaufende Leiterbahn ist reihen- oder spaltenähnlich von einer benachbarten Leiterbahn getrennt.
Wie oben beschrieben, damit sich der Sensor 220 an eine unregelmäßig geformte Oberfläche oder eine starken Ablenkungen ausgesetzte Oberfläche anpassen kann, können Schlitze 210 in dem Substrat vorgesehen werden (z.B. zwischen den Leiterbahnen und/oder Sensorelementen).. In der mit Bezug auf 7 beschriebenen Ausgestaltung sind, wenn man beliebige vier benachbarte Sensorelemente (225, 229, 231, 235) betrachtet, zwei Schlitze vorgesehen. Wie mit Bezug auf 7 ausführlicher dargestellt ist, folgt der Schlitz 223 (der mit einer fettgedruckten Linie angedeutet ist), Abschnitten der Leiterbahnen 225', 229' und 231'. Ein ebenso gestalteter Schlitz 233 verläuft zwischen Sensorelementen 231, 235 und 225. Die beiden Schlitze sind zwar unabhängig, aber sie haben eine Sanduhrform zwischen den vier Sensorelementen, wobei ein Schwanz von den oberen und unteren Abschnitten der Sanduhrform ausgeht.
Die Form der Schlitze 233, 223 kann bei der individuellen Bewegung der Sensorelemente helfen. Dieses Sensorelement und die Schlitzform und/oder -platzierung können dahingehend von Vorteil sein, dass sie eine Bewegung des Sensorelementes in der diagonalen Richtung von Pfeil B oder weiter in Richtung von Pfeil B im Vergleich zu einer Anordnung zulässt, bei der die Sensorelemente in einer Matrix von linearen Reihen und Spalten lotrecht zueinander angeordnet sind. Es ist zu verstehen, dass der Versatz 208 zwischen Sensorelementen die Form der Schlitze ändern kann.
Der Aufbau des beispielsweise in 6 gezeigten Sensors wird nun mit Bezug auf die 8-10 ausführlicher beschrieben. 8 zeigt die oberen und unteren Substratschichten 300, 302, jeweils mit ihrer jeweiligen Leiterbahn 304, 306. In einer Ausgestaltung sind die Substratschichten 300, 302 aus einer Polyesterfolie wie z.B. aus Mylar gebildet. Es können auch andere Folien wie z.B. Kapton, von DuPont hergestellt, verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht in dieser Hinsicht begrenzt und es können auch andere geeignete Substratmaterialien zum Einsatz kommen.
Die Leiterbahnen 304, 306 können mit einer beliebigen geeigneten Technik ausgebildet werden. So können z.B. Verfahren zur Herstellung von flexiblen Leiterbahnen angewendet werden. In dieser Hinsicht wird die obere Leiterbahn 304 durch direktes Aufdrucken einer elektrisch leitenden Farbe auf die obere Substratschicht 300 appliziert. Es können auch andere Verfahren zum Herstellen der Leiterbahn angewendet werden, inklusive Fotoätzen von Kupfer, das auf Mylar oder ein anderes geeignetes Substratmaterial laminiert wird. Auch Siebdruck ist möglich.
Als Nächstes können die Stellen 74 auf der die Sensorelemente definierenden Leiterbahn mit einer Beschichtung 72 überzogen werden. Beim Herstellen eines Druck- oder Kraftsensors wird die Beschichtung 72 aus einer druckempfindlichen Farbe gebildet, von der nachfolgend Beispiele erörtert werden. Druckempfindliche Farben sind Materialien, die in einer dünnen Beschichtung aufgedruckt oder anderweitig appliziert werden können, die zum Begrenzen des Stromflusses dadurch dient. Wenn der Sensor zum Erfassen anderer Parameter wie Temperatur ausgebildet wird, können andere Typen von empfindlichen Beschichtungen, wie z.B. eine temperaturempfindliche Beschichtung, verwendet werden.
Der Aufbau der unteren Schicht 302 ist dem der oberen Schicht 300 ähnlich. Die untere Leiterbahn 306 kann auf die untere Substratschicht 302 in derselben Weise wie oben in Verbindung mit der oberen Schicht 300 erörtert appliziert werden. Die obere Schicht trägt zwar die Beschichtung 72, die an der die Sensorelemente 60 auf der oberen Leiterbahn 304 definierenden Stelle 64 ausgebildet ist, aber auch die untere Leiterbahn 306 kann eine darauf applizierte Beschichtung 72 tragen. Eine oder mehrere Isolierschicht(en) 308 (siehe 9, die eine schematische Querschnittsansicht des montierten Sensors von 8 durch ein Sensorelement ist) kann/können auf wenigstens eine Leiterbahn aufgebracht werden, um die oberen und unteren Bahnen, aber nicht die Beschichtung, elektrisch voneinander zu isolieren. Die Isolierschicht(en) 308 kann/können auf die Substratschicht geklebt oder geschweißt werden.
Zum Vervollständigen des Sensors werden die obere und die untere Substratschicht zusammen mit Leiterbahnen, Isolierschicht(en) und Sensorelemente platziert und können dann zusammen aufgeklebt oder aufgeschweißt werden.
Wie in 8 gezeigt, ist in einer Ausgestaltung mit zwei Substratschichten 300, 302 das Muster der Leiterbahn 304, 306 auf jeder Substratschicht ähnlich und kann mit ihr identisch sein, mit der Ausnahme, dass, wenn die beiden Schichten zusammen positioniert werden, das Muster von einer Leiterbahnschicht (z.B. die untere Leiterbahn) in Bezug auf die andere Leiterbahnschicht (z.B. die obere Leiterbahn) gedreht ist, so dass die mit den Leiterbahnen verbundenen elektrischen Leitungen 230, 232 in verschiedenen Richtungen vom Sensor ausgehend verlaufen. In einer Ausgestaltung wird die untere Leiterbahn um 90 Grad relativ zur oberen Leiterbahn gedreht, z.B. auf eine spalten- und reihenähnliche Weise. Es ist jedoch zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist und auch andere Muster vorgesehen werden können. Ferner hat die obere Leiterbahn 304 in einer Ausgestaltung nicht das identische Muster wie die untere Leiterbahn 306. Es kann jedoch wünschenswert sein, dass die beiden Leiterbahnen 304, 306 identische Muster haben, aus Herstellungsgründen und/oder damit die Leiterbahnen die Platzierung von Schlitzen und/oder Ausschnitten in der Substratschicht nur minimal stören. Ferner kann eine Isolier- oder dielektrische Schicht 308 zwischen den beiden Substratschichten wenigstens an Stellen positioniert sein, an denen die Leiterbahnen einem ähnlichen Muster folgen.
Es wird nun mit Bezug auf die 12 und 13 das Muster der oberen und unteren Leiterbahnen beschrieben. 12 illustriert die beiden Substratschichten 300, 302 Seite an Seite vor der Montage. Die Substratschichten können unabhängige Stücke oder ein einzelnes Stück sein, das nachfolgend entlang der Linie 400 geschnitten oder gefalten wird. Ferner kann dem Sensor auf einer oder auf beiden Seiten eine dehnbare Stoffschicht (nicht dargestellt) hinzugefügt werden, um die Haltbarkeit und Formanpassungsfähigkeit des Sensors zu fördern.
Das Leiterbahnmuster auf der oberen Schicht 300 unterscheidet sich zwar von dem Leiterbahnmuster auf der unteren Schicht, aber wenn die beiden Substratschichten aneinander gefügt werden, wie in 13 gezeigt, dann sind die Leiterbahnen 304, 306 so aufeinander ausgerichtet, dass der größte Teil der Leiterbahnen 304 auf einem Substrat mit der anderen Leiterbahn 306 übereinstimmt, wenn die Schichten übereinander gelegt werden. Wie in 13 gezeigt, wird ein Sensor 180 mit mehreren Sensorelementen 60 ausgebildet, wenn die Leiterbahnen 304, 306 sandwichartig zwischen einer druckempfindlichen Schicht auf den die Sensorelemente 60 definierenden Stellen eingeschlossen werden. Wie oben erörtert, kann diese Anordnung von Leiterbahnen deshalb von Vorteil sein, weil die Leiterbahnen die Platzierung von Schlitzen und/oder Ausschnitten in der Substratschicht nur minimal stören. Darüber hinaus kann die Länge der Schlitze maximiert werden, so dass eine maximale Sensorelementebewegung ermöglicht wird.
Wie in der Ausgestaltung von 12 gezeigt, sind auf der oberen Schicht 300 mehrere Leiterbahnen 304 angeordnet und jede Leiterbahn 304 hat einen vergrößerten Bereich (d.h. Sensorelementkontaktstelle 305). Der Hauptteil der Leiterbahn (z.B. leitende Linien 307) ist so angeordnet, dass er in einem spiralförmigen Muster wenigstens teilweise um eine Sensorelementkontaktstelle herum verläuft. Auf der unteren Schicht 302 sind mehrere Leiterbahnen 306 angeordnet und jede Leiterbahn 306 hat ebenfalls eine vergrößerte Fläche (d.h. die Sensorelementkontaktstelle 309). Der Hauptteil der Leiterbahn (z.B. leitende Linien 311) ist so angeordnet, dass er in einem spiralförmigen Muster wenigstens teilweise um eine Sensorelementkontaktstelle herum verläuft.
Nun mit Bezug auf die obere Schicht 300, eine erste Leiterbahn 304 ist in einer Reihe 320 angeordnet und verläuft in einem ersten spiralförmigen Muster und in einer ersten Richtung. Eine zweite Leiterbahn ist in einer Reihe 322 angeordnet und verläuft in einem zweiten spiralförmigen Muster und in einer zweiten Richtung. Die Leiterbahnen 304 sind so angeordnet, dass die erste und die zweite Richtung einander im Wesentlichen entgegengesetzt sind. So verläuft beispielsweise, wie in der Ausgestaltung von 12 gezeigt, das Muster der Leiterbahn in Reihe 320 in einer entgegengesetzten Richtung zu dem Muster der Leiterbahn in der Nachbarreihe 322. In der Ausgestaltung von 12 ist die Leiterbahnreihe 320 als Spiegelbild zur Reihe 322 in Bezug auf die Spiegelbildlinie 324 angeordnet. Es sind aber auch andere Leiterbahnmuster möglich, da die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist.
Wenn das Sensorelement auf der Leiterbahn ausgebildet ist, z.B. auf der Sensorelementkontaktstelle, dann ist die Leiterbahn in Reihe 320 elektrisch mit dem ersten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 1.1 wäre, verbunden und verläuft wenigstens teilweise gegen den Uhrzeigersinn darum herum und verläuft dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste Sensorelement herum, das an der Sensorelementkontaktstelle 1.1 wäre. Die Leiterbahn in Reihe 320 wird dann elektrisch mit einem zweiten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 1.2 wäre, gekoppelt und verläuft wenigstens teilweise gegen den Uhrzeigersinn um dieses herum und verläuft dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite Sensorelement herum, das an der Sensorelementkontaktstelle 1.2 wäre.
Umgekehrt verläuft die Leiterbahn in Reihe 322 in einem abwechselnden Muster gegenüber der Leiterbahn in der ersten Reihe 320. Die Leiterbahn in Reihe 322 ist elektrisch mit dem ersten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 2.1 wäre, gekoppelt und verläuft im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um dieses herum und verläuft dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste Sensorelement herum, das an der Sensorelementkontaktstelle 2.1 wäre. Die Leiterbahn in Reihe 322 wird dann elektrisch mit einem zweiten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 2.2 wäre, gekoppelt und verläuft im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um dieses herum und verläuft dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite Sensorelement herum, das an der Sensorelementkontaktstelle 2.2 wäre.
In der in den 12 und 13 illustrierten Ausgestaltung unterscheidet sich das Muster der zweiten (d.h. unteren) Leiterbahn 306 von dem Muster der ersten (d.h. oberen) Leiterbahn 304. In Bezug auf die untere Schicht sind auf der Substratschicht mehrere Leiterbahnen 306 ausgebildet. Eine erste Leiterbahn ist in der Spalte 340, eine zweite Leiterbahn in der Spalte 342 angeordnet. Wie oben beschrieben, verläuft jede Leiterbahn in einem spiralförmigen Muster. Mit den unteren Leiterbahnen ist das Muster jeder Bahn jedoch im Wesentlichen gleich. Das heißt, das Muster der Leiterbahn in Spalte 340 verläuft im Wesentlichen in derselben Richtung wie das Muster der Leiterbahn in der Nachbarspalte 324.
Wenn das Sensorelement auf der Leiterbahn ausgebildet ist, z.B. auf der Sensorelementkontaktstelle, dann ist die Leiterbahn in Spalte 340 elektrisch mit dem ersten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 3.1 wäre, gekoppelt und verläuft im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum und verläuft dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste Sensorelement herum, das an der Sensorelementkontaktstelle 3.1 wäre. Der Pfad der Leiterbahn in Spalte 340 bildet dann ein spitzes Ende 344, dessen Pfadrichtung abwechselt, und ist elektrisch mit einem zweiten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 3.2 wäre, gekoppelt und verläuft gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum und verläuft dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 3.2 wäre.
Ebenso verläuft die Leiterbahn in der zweiten Spalte 342 im Wesentlichen im selben Muster wie die Leiterbahn in der ersten Spalte 340. Die Leiterbahn in Spalte 342 ist elektrisch mit dem ersten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 4.1 wäre, gekoppelt und verläuft im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um dieses herum und verläuft dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste Sensorelement herum, das an der Sensorelementkontaktstelle 4.1 wäre. Die zweite Spalte 342 bildet dann ein spitzes Ende 344, dessen Pfadrichtung abwechselt, und ist elektrisch mit dem zweiten Sensorelement, das an der Sensorelementkontaktstelle 4.2 wäre, gekoppelt und verläuft gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum und verläuft dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite Sensorelement herum, das an der Sensorelementkontaktstelle 4.2 wäre.
Es können zwar andere abwechselnde Leiterbahnmuster verwendet werden, aber die oben beschriebenen Muster fördern die Formanpassungsfähigkeit des Sensors. Dabei wird die Länge der Leiterbahn (und ggf. des Schlitzes) zwischen Sensorelementen maximiert, was dazu beiträgt, dass sich ein individueller Sensor im Wesentlichen unabhängig von einem Nachbarsensor bewegen kann.
In einer anderen, in der Querschnittsansicht von 10 gezeigten Augestaltung gibt es nur eine Substratschicht 310, mit einer Leiterbahn, die auf jeder Seite der Substratschicht 310 angeordnet ist. Es kann zwar eine dielektrische Isolierschicht in den Sensor eingeführt werden, um die beiden Leiterbahnen weiter voneinander zu trennen, aber das Substrat selbst kann zum Isolieren der Leiterbahnen dienen. Ferner können in dieser Ausgestaltung Löcher oder Öffnungen 312 in der Substratschicht 310 mit einer Beschichtung 72 überzogen und die Leiterbahnen kontaktiert werden, um die beiden Leiterbahnen elektrisch miteinander zu verbinden.
Wenn der Sensor als Kraftsensor konfiguriert ist, dann wird in einer Ausgestaltung eine Widerstandsfarbe verwendet, die eine Farbe auf der Basis von Kohlenstoff-Molybdändisulfid in einem acrylischen Bindemittel umfasst und die in 11 gezeigten Kraft-Widerstand-Kennwerte hat. In 11 repräsentiert die vertikale Achse den gemessenen Widerstand am Sensorelement. Die horizontale Achse repräsentiert die Kraft in Kilopond, mit der eine direkt über dem Sensorelement befindliche Stahlkugel mit 1/8 Zoll Durchmesser das Sensorelement beaufschlagt, dessen Widerstand gemessen werden soll.
Die Technik zum Formulieren und Auftragen von Widerstandsfarben ist gut entwickelt (siehe z.B. Screen Printing Electronic Circuits von Albert Kasoloff, 1980; und National Bureau of Standards Circular Nr. 530, US Government Printing Office). Eine Widerstandsfarbe mit den in 11 gezeigten Kennwerten kann auf der Basis handelsüblicher Komponenten formuliert werden. So enthält beispielsweise die folgende Formulierung Produkte von Acheson Colloids Company in Port Huron, Mich: 80% Dielektrikum, Katalog-Nr. SS24210, 10% Grafit, Katalog-Nr. 423SS, 10% Molybdändisulfid, Katalog-Nr. SS24476. Andere Farben, die für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind z.B.: Chomerics, Inc., Woburn, Mass., Produkt-Nr. 55-01-4402-0000; und Interlink Electronics Company, Santa Barbara, Kalif., Kraft erfassende Widerstandsformulierung. Es ist zu verstehen, dass auch andere Formulierungen eingesetzt werden können, da die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist. Es ist vorteilhaft, wenn die Widerstandsfarbe zu einer möglichst dünnen Schicht aufgebracht wird, so ist beispielsweise ein Bereich von 0,5 mil–2 mil akzeptabel. In einer Ausgestaltung wird die druckempfindliche Widerstandsfarbe so aufgebracht, dass der resultierende Durchmesser des Sensorelementes etwa 1 cm beträgt.
In einer Ausgestaltung arbeitet der Sensor in einer Schaltung und jedes Sensorelement wird sequentiell gescannt, um eine elektrische Änderung der Beschichtung zu messen, um eine Anzeige des auf das Sensorelement applizierten Parameters zu erhalten. Wenn der auf das jeweilige Sensorelement angewandte Parameter niedrig ist, kann der Widerstand hoch sein, so dass nur wenig Strom durchfließt. Mit zunehmendem Wert des Parameters nimmt jedoch der Wert durch das Sensorelement ab und daher nimmt der Stromfluss zu. Das Abbilden eines bestimmten Sensorelementes auf einen physischen Ort erfolgt mit einem Computer oder einer anderen Messschaltung. In einer Ausgestaltung wird eine Steuerschaltung vorgesehen, die die Empfindlichkeit der Sensorelemente justiert, um verschiedene Parametergrößen aufzunehmen, wie z.B. Kraft, Druck, Temperatur und/oder Vibration.
In einer Ausgestaltung kann der Sensor in jeder Anwendung verwendet werden, die die Erzielung einer Parameterverteilung über eine Oberfläche erfordert. Insbesondere kann sich der Sensor der Form einer Oberfläche eines Werkstücks anpassen, eine genaue Verteilung des Parameters kann unabhängig von den Unregelmäßigkeiten und/oder Ablenkungen auf der Oberfläche erzielt werden. Die Bewegungsfähigkeit der Sensorelemente (z.B. lotrecht zur Ebene des Sensors und auch innerhalb der Ebene des Sensors) ermöglicht es, dass sich der Sensor der Form des Werkstücks besser anpasst, unabhängig von seiner Form und/oder dem Ablenkungsbetrag.
Es ist zu verstehen, dass die Auflösung beim Erhalten der Parameterverteilung umso größer ist, je geringer der Abstand zwischen benachbarten Sensorelementen ist. In einer Ausgestaltung kann der Abstand zwischen Sensorelementen möglicherweise nur etwa 0,5 mm betragen, obwohl jeder geeignete Abstand verwendet werden kann.
Durch Messen der Änderung des Stromflusses an jeder Sensorelementestelle kann das applizierte Parameterverteilungsmuster erfasst werden. Das gemessene Parameterverteilungsmuster kann an ein Datenerfassungs- und -analysesystem ausgegeben und/oder beispielsweise auf einem Computerbildschirm angezeigt werden, um die Messwerte entweder statisch oder dynamisch in einem 2D- oder 3D-Display zu illustrieren. Nach dem Erfassen der Parameterverteilung können die Änderungen aufgezeichnet und weiter analysiert werden. So können beispielsweise beliebige der oben erwähnten illustrativen Ausgestaltungen von Sensoren in Kombination mit einer Vorrichtung zum kundenspezifischen Anpassen eines Sitzkissens für einen Rollstuhl verwendet werden. Die Vorrichtung kann ferner eine Plattform aufweisen, die ein Sitzkissen zum Montieren des Sensors simuliert, und eine Steuerung, die mit dem Sensor kommuniziert und die Aufgabe hat, Daten von dem Sensor zu empfangen.
In einer Ausgestaltung ist der Sensor als Kraftsensor angeordnet und die Steuerung berechnet eine Kraft an Stellen, die mit den Stellen der individuellen Sensorelemente des Sensors zusammenfallen. Nach dem Ermitteln der Kraftdaten kann das Sitzkissen so ausgelegt werden, dass vorhandene Druckpunkte minimiert werden, wodurch der Komfort verbessert wird. Der Sensor kann zum Erfassen von Kraftdaten einer beliebigen Oberfläche verwendet werden, wie z.B. die Kontaktkraft von Füßen, Zähnen, Hand, Maschinenkomponenten, Walzen einer Presse, zwischen zusammensteckenden Teilen usw., da die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht begrenzt ist. Weitere Anwendungen der vorliegenden Erfindung beinhalten Matrazen, Sitzlehnen und allgemeiner jeden Typ von Auflagefläche.
Es ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung der Erfindung lediglich zur Illustration dient und dass auch andere Ausgestaltungen, Modifikationen und Äquivalente der Erfindung im Rahmen der Erfindung liegen, die in den nachfolgenden Ansprüchen dargelegt ist. Ferner beinhaltet zwar jede oben beschriebene Ausgestaltung bestimmte Merkmale, aber die Erfindung ist in dieser Hinsicht nicht begrenzt. So können ein oder mehrere der oben beschriebenen oder anderer Merkmale des Sensors oder Verfahrens zur Herstellung einzeln oder in einer beliebigen Kombination eingesetzt werden, da die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezielle Ausgestaltung begrenzt ist.
QUELLENANGABEN IN DER BESCHREIBUNG
Die von der Anmelderin angeführten Quellen werden lediglich zur Information gegeben. Sie stellen keinen Bestandteil des europäischen Patentdokuments dar. Obschon größte Sorgfalt bei der Zusammenstellung der Quellenangaben angewendet wurde, können Fehler oder Auslassungen nicht ausgeschlossen werden. Die EPO übernimmt diesbezüglich keine Haftung.
In der Beschreibung werden die folgenden Patentdokumente genannt:
* US 4856993 A [0002] [0015]
In der Beschreibung werden die folgenden Nicht-Patentdokumente genannt:
* ALBERT KASOLOFF, Screen Printing Electronic Circuits, 1980 [0052]

Claims

Sensor (50, 180), der Folgendes umfasst: wenigstens eine Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310); ein Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225), die betriebsmäßig mit Bezug auf die Substratschicht angeordnet sind; und eine erste und eine zweite Leiterbahn (190, 192, 225, 229, 231, 304, 306), die auf der Substratschicht angeordnet ist, wobei jede Leiterbahn elektrisch mit wenigstens einem Sensorelement gekoppelt und jede Leiterbahn in einem spiralförmigen Muster von dem wenigstens einen Sensorelement beabstandet wenigstens teilweise darum herum verläuft.
Sensor (50, 180), der so gestaltet ist, dass er der Form einer Oberfläche entspricht, und Folgendes umfasst: eine Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310); und eine Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) zum Messen eines gewünschten Parameters, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen eine Sensorebene definiert, wobei die Sensorelemente mit Bezug auf die Substratschicht so angeordnet sind, dass sich jedes Sensorelement in einer Richtung lotrecht zur Sensorebene und im Wesentlichen unabhängig von einem benachbarten Sensorelement bewegt, das sich in einer Richtung lotrecht zu der Sensorebene bewegt.
Sensormatrix (50, 180) zum Messen eines gewünschten Parameters, die Folgendes umfasst: wenigstens eine Sensorschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310); eine Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225), die betriebsmäßig in Bezug auf die Substratschicht angeordnet sind und eine Sensorebene definieren; eine Mehrzahl von Leiterbahnen (190, 192, 225, 229, 231, 304, 306), die die Sensorelemente verbinden, wobei jedes Sensorelement in direktem elektrischem Kontakt mit wenigstens einer jeweiligen Leiterbahn ist; und eine Mehrzahl von in der Substratschicht ausgebildeten Schlitzen (90, 114, 223, 233), die zwischen jeweiligen benachbarten Sensorelementen angeordnet sind, wobei es die Schlitze zulassen, dass sich ein Sensorelement lotrecht zur Sensorebene bewegt.
Kraftsensor (50, 180) zum Messen einer auf eine Oberfläche aufgebrachten Kraft, der Folgendes umfasst: eine erste und eine zweite dünne, flexible Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310), wobei die Schichten in einer einander zugewandten Beziehung angeordnet sind; eine auf der ersten Substratschicht ausgebildete erste Mehrzahl von Leiterbahnen (190, 192, 225, 229, 231, 304, 306) und eine auf der zweiten Substratschicht ausgebildete zweite Mehrzahl von Leiterbahnen (190, 192, 225, 229, 231, 304, 306), wobei die ersten und die zweiten Leiterbahnen einander zugewandt sind; eine Mehrzahl von individuellen Kraftsensorelementen (60, 62, 231, 235, 225), die zwischen den ersten und zweiten Substratschichten angeordnet und elektrisch mit den ersten und zweiten Leiterbahnen verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Leiterbahnen jeweils einen Abschnitt haben, der in einem spiralförmigen Muster von dem Sensorelement ausgehend teilweise darum herum verläuft; und eine durch die ersten und zweiten Substratschichten gebildete Mehrzahl von Schlitzen (90, 114, 223, 233), die es zulassen, dass sich die Sensorelemente bewegen, und die es dadurch zulassen, dass sich ein Sensorelement relativ zu benachbarten Sensorelementen bewegt.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) so konstruiert und angeordnet ist, dass sich ein Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) relativ zu einem anderen Sensorelement bewegen kann.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 1 oder 2, der ferner eine Mehrzahl von Schlitzen (90, 114, 223, 233) aufweist, die so in der Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) ausgebildet sind, dass sich ein Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) relativ zu einem anderen Sensorelement bewegt.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 3, 4 oder 6, wobei wenigstens ein Teil der Mehrzahl von Schlitzen (90, 114, 223, 233) entlang einem nichtlinearen Pfad (94) ausgebildet ist.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 3, 4, 6 oder 7, wobei wenigstens einer aus der Mehrzahl von in der Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) ausgebildeten Schlitzen (90, 114, 223, 233) einen zweiten in der Substratschicht ausgebildeten Schlitz schneidet und dadurch einen Schnittschlitz (96) bildet.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 8, wobei der Schnittschlitz (96) zwischen mehreren Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) positioniert ist und wobei einer der Schlitze des Schnittschlitzes um wenigstens einen Abschnitt eines Sensorelementes herum verläuft.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6–9, wobei ein Schlitz (90, 114, 223, 233) einen ersten und einen zweiten Endpunkt hat, wobei wenigstens ein Endpunkt mit einem Loch (116) zur Entspannung an dem Endpunkt ausgebildet ist und um dadurch die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass die Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) an dem Endpunkt reißt.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6–10, wobei ein Schlitz (90, 114, 223, 233) einen ersten und einen zweiten Endpunkt hat, wobei wenigstens ein Endpunkt in einer Hakenform (126) ausgebildet ist, so dass die Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310), wenn sie eine relativ hohe Spannung an einem Endpunkt erfährt, reißen kann, wobei ein Ende des Risses in dem Schlitz endet.
Sensor (50, 180) nach einem der vorherigen Ansprüche, der ferner eine Mehrzahl von in der Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) ausgebildeten Ausschnitten (140) umfasst, so dass sich ein Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) relativ zu einem anderen Sensorelement bewegt.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 12, wobei wenigstens ein in der Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) ausgebildeter Ausschnitt (140) zwischen mehreren Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) positioniert und allgemein diamant- oder drachenförmig (142) ist.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 13, wobei der allgemein diamant- oder drachenförmige Ausschnitt (142) eine Schwanzsektion (144) aufweist, die um wenigstens einen Abschnitt eines Sensorelementes (60, 62, 231, 235, 225) herum verläuft.
Sensor (50, 180) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens ein Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) eine druckempfindliche Schicht umfasst.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 15, wobei die druckempfindliche Schicht eine leitende Farbe umfasst.
Sensor (50, 180) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) auf der Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) in einer Matrix von Reihen (86, 200, 204, 320, 322) und Spalten (88, 202, 206, 340, 342) angeordnet ist.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 17, wobei sich jedes Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) an einem Schnittpunkt zwischen einer Reihe (86, 200, 204, 320, 322) und einer Spalte (88, 202, 206, 340, 342) befindet.
Sensor (50, 180) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei wenigstens eine Mehrzahl von Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) so konfiguriert ist, dass sie eine Kraft in Kombination mit einer Vorrichtung zum kundenspezifischen Montieren eines Rollstuhlsitzes oder -sitzkissens erfasst, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Plattform, an der der Sensor montiert wird; und eine mit dem Sensor kommunizierende Steuerung, wobei die Steuerung die Aufgabe hat, Daten vom Sensor zu empfangen und eine Kraft an Stellen zu berechnen, die mit Stellen von individuellen Sensorelementen zusammenfallen, nachdem der Sensor einer Kraft ausgesetzt wurde.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 1 oder 4, wobei die erste Leiterbahn (190, 192, 225', 229', 231' 304, 306) eine Mehrzahl von ersten Leiterbahnen umfasst, die auf der Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) angeordnet sind, wobei eine erste der Leiterbahnen in einem ersten spiralförmigen Muster und in einer ersten Richtung wenigstens teilweise um eines aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) herum verläuft und wobei eine zweite der ersten Leiterbahnen in einem zweiten spiralförmigen Muster und in einer zweiten Richtung wenigstens teilweise um ein anderes aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen herum verläuft, wobei die erste und die zweite Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander sind.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 2 oder 3, der ferner eine erste Leiterbahn (190, 192, 225', 229', 231', 304, 306) umfasst, wobei die erste Leiterbahn eine Mehrzahl von ersten Leiterbahnen umfasst, die auf der Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) angeordnet sind, wobei eine erste der Leiterbahnen in einem ersten spiralförmigen Muster und in einer ersten Richtung wenigstens teilweise um eines aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) herum verläuft und wobei eine zweite der ersten Leiterbahnen in einem zweiten spiralförmigen Muster und in einer zweiten Richtung wenigstens teilweise um ein anderes aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen herum verläuft, wobei die erste und die zweite Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt zueinander sind.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 20 oder 21, wobei: die Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) eine in einer ersten Reihe (86, 200, 204, 320, 322) angeordnete erste Mehrzahl von individuellen Sensorelementen und eine in einer zweiten Reihe angeordnete zweite Mehrzahl von individuellen Sensorelementen umfasst, die erste der ersten Leiterbahnen elektrisch mit einem ersten aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in einer ersten Reihe gekoppelt ist und gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der ersten Reihe herum verläuft, dann elektrisch mit einem zweiten aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der ersten Reihe gekoppelt ist und gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der ersten Reihe herum verläuft; und die zweite der ersten Leiterbahnen elektrisch mit einem ersten aus der zweiten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der zweiten Reihe gekoppelt ist und im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste aus der zweiten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der zweiten Reihe herum verläuft, dann elektrisch mit einem zweiten aus der zweiten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der zweiten Reihe gekoppelt ist und im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite aus der zweiten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der zweiten Reihe herum verläuft.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 1 oder 4, wobei die zweite Leiterbahn (190, 192, 225, 229, 231, 304, 306) eine Mehrzahl von zweiten Leiterbahnen umfasst, die auf der wenigstens einen Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) angeordnet sind, wobei eine erste der zweiten Leiterbahnen in einem ersten spiralförmigen Muster und in einer ersten Richtung wenigstens teilweise um eines aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) herum verläuft und wobei eine zweite der zweiten Leiterbahnen in einem zweiten spiralförmigen Muster und in einer zweiten Richtung wenigstens teilweise um ein anderes aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen herum verläuft, wobei die erste und die zweite Richtung einander im Wesentlichen gleich sind.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 2 oder 3, der ferner eine zweite Leiterbahn (190, 192, 225', 229', 231', 304, 306) umfasst, wobei die zweite Leiterbahn eine Mehrzahl von zweiten Leiterbahnen umfasst, die auf der wenigstens einen Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) angeordnet sind, wobei eine erste der zweiten Leiterbahnen in einem ersten spiralförmigen Muster und in einer ersten Richtung wenigstens teilweise um eines aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) herum verläuft und wobei eine zweite der zweiten Leiterbahnen in einem zweiten spiralförmigen Muster und in einer zweiten Richtung wenigstens teilweise um ein anderes aus der Mehrzahl von individuellen Sensorelementen herum verläuft, wobei die erste und die zweite Richtung einander im Wesentlichen gleich sind.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 23 oder 24, wobei: die Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) eine in einer ersten Spalte (88, 202, 206, 340, 342) angeordnete erste Mehrzahl von individuellen Sensorelementen und eine in einer zweiten Spalte angeordnete zweite Mehrzahl von individuellen Sensorelementen umfasst, die erste der zweiten Leiterbahnen (190, 192, 225', 229', 231', 304, 306) elektrisch mit einem ersten aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der ersten Spalte gekoppelt ist und im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der ersten Spalte herum verläuft, dann elektrisch mit einem zweiten aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der ersten Spalte gekoppelt ist und gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite aus der ersten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der ersten Spalte herum verläuft; und die zweite der zweiten Leiterbahnen elektrisch mit einem ersten aus der zweiten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der zweiten Spalte gekoppelt ist und im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das erste aus der zweiten Mehrzahl von -individuellen Sensorelementen in der zweiten Spalte herum verläuft, dann elektrisch mit einem zweiten aus der zweiten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der zweiten Spalte gekoppelt ist und gegen den Uhrzeigersinn wenigstens teilweise darum herum verläuft, dann im Uhrzeigersinn wenigstens teilweise um das zweite aus der zweiten Mehrzahl von individuellen Sensorelementen in der zweiten Spalte herum verläuft.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6–11, wobei wenigstens einer aus der Mehrzahl von Schlitzen (90, 114, 223, 233) neben einem Abschnitt der Leiterbahn (190, 192, 225', 229', 231', 304, 306) ausgebildet ist, der um ein Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) herum verläuft.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6–11, wobei sich wenigstens einer aus der Mehrzahl von Schlitzen (90, 114, 223, 233) neben wenigstens einem Abschnitt der Leiterbahn (190, 192, 225, 229, 231, 304, 306), die zwischen mehreren Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) positioniert ist, und wenigstens einem Abschnitt der Leiterbahn befindet, die um ein Sensorelement herum verläuft.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Reihen von Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) und die Spalten von Sensorelementen einen Winkel von weniger als 90 Grad bilden.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 1, 3, 4, 20 oder 23, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) eine Sensorebene definiert und wobei die Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) so konstruiert und angeordnet ist, dass sich ein Sensorelement in einer Richtung lotrecht zur Sensorebene und in einer Richtung parallel zur Sensorebene bewegen kann, wobei die Bewegung in der Richtung parallel zur Sensorebene geringer ist als die Bewegung in der Richtung lotrecht zur Sensorebene.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 1, 3, 4, 20 oder 23, wobei jede Leiterbahn an mehr als einer Stelle auf einem Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) mit diesem gekoppelt ist und wobei jede Leiterbahn (190, 192, 225', 229', 231' 304, 306) in einem teilweise spiralförmigen Muster um ein jeweiliges Sensorelement herum verläuft.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 1–3, 5, 6, 21 oder 24, wobei die Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) eine erste Substratschicht und eine zweite Substratschicht umfasst, wobei die Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht angeordnet ist und wobei die erste Leiterbahn (190, 192, 225', 229', 231', 304, 306) auf der ersten Substratschicht und die zweite Leiterbahn auf der zweiten Substratschicht angeordnet sind.
Sensor (50, 180) nach Anspruch 4 oder 31, der ferner eine Isolierschicht (308) umfasst, die zwischen der ersten und der zweiten Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) positioniert ist.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 3, 4, 6–11, 26 oder 27, wobei zwei Schlitze (90, 114, 223, 233) zwischen mehreren benachbarten Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) ausgebildet sind, wobei die beiden Schlitze gemeinsam einer Sanduhrform ähneln.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 3, 4, 6–11, 26 oder 27, wobei die Mehrzahl von individuellen Sensorelementen (60, 62, 231, 235, 225) in einer Matrix von Reihen (86, 200, 204, 320, 322) und Spalten (88, 202, 206, 340, 342) angeordnet ist, wobei die Reihen von Sensorelementen und die Spalten von Sensorelementen einen Winkel von weniger als 90 Grad bilden und wobei zwei Schlitze (90, 114, 223, 233) zwischen mehreren Sensorelementen ausgebildet sind, wobei die beiden Schlitze gemeinsam einer Sanduhrform ähneln.
Sensor (50, 180) nach einem der Ansprüche 1–3, 5, 6, 21, 24 oder 31, wobei die Substratschicht (61, 70, 112, 300, 302, 310) aus einem dünnen, flexiblen Material gebildet ist.
Sensor (50, 180) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jedes Sensorelement (60, 62, 231, 235, 225) eine druckempfindliche Farbe umfasst.