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Dokumentenidentifikation DE102006016661A1 11.10.2007
Titel Taktiler Flächensensor
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Van der Smagt, Patrick, Dr., 86947 Weil, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 08.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016661
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse G01L 1/20(2006.01)A, F, I, 20060408, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 7/00(2006.01)A, L, I, 20060408, B, H, DE   D03D 15/00(2006.01)A, L, I, 20060408, B, H, DE   G06F 3/02(2006.01)A, L, I, 20060408, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein taktiler Flächensensor (10) dient der Feststellung eines Tastortes. Der Flächensensor (10) weist ein Gewebe (12) aus sich kreuzenden und an den Kreuzungen sich berührenden Gewebefasern (21-25, 31-35) auf. Jede Gewebefaser (21) weist einen Faserkern aus einer elektrischen Leitung (16) und eine elastische und elektrisch resistiv leitende Widerstandshülle (18) auf.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen taktilen Flächensensor zur Feststellung eines Tastortes.

Taktile Flächensensoren finden auf vielen technischen Gebieten Einsatz. Beispielsweise werden sie in Fahrzeugsitzen angeordnet, um zu detektieren, ob eine Person auf dem Sitz sitzt. Sie werden auch in der Orthopädie und der Sportmedizin eingesetzt, um beispielsweise das Abrollen des Fußes bzw. Schuhs genau erfassen zu können. Taktile Flächensensoren werden auch in sog. Datenhandschuhen für die Teleoperation eingesetzt. Taktile Flächensensoren werden auch in sogenannten Datenhandschuhen für die Teleoperation eingesetzt. Derartige Sensoren werden ebenfalls in der Robotik für den Tastsinn z. B. bei Roboterhänden und Armen eingesetzt.

Herkömmliche Flächensensoren in der Form von Kontaktfolien erlauben in der Regel ausschließlich die Feststellung eines Tastortes. Die Kontaktfolien werden aus einer dünnen flexiblen PE-Folie gebildet und enthalten sich kreuzende Metalldrähte, die bei fehlendem Tastdruck beabstandet zueinander sind und bei vorliegendem Tastdruck einander berühren. Durch die Berührung wird eine elektrische Verbindung hergestellt, die lokalisiert werden kann. Je nach Typ des Flächensensors kann nur ein Kontaktschwerpunkt festgestellt werden.

Bei Datenhandschuhen werden häufig Lichtleiter eingesetzt, deren Beugung detektiert werden kann.

Bekannte Kontaktfolien können nicht ohne weiteres an jedem Gegenstand fixiert werden. Eine zu starke Biegung oder ein Knicken der Kontaktfolie führt schnell zur Zerstörung. Ferner kann mit den Kontaktfolien nur ein Tastort ermittelt werden, nicht jedoch eine Tastkraft.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen flexiblen taktilen Flächensensor zu schaffen, mit dem auch die Tastkraft ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen taktilen Flächensensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße taktile Flächensensor weist ein Gewebe aus sich kreuzenden und an den Kreuzungen berührenden Gewebefasern auf, wobei jede Gewebefaser einen Faserkern aus einer elektrischen Leitung und eine elastische und elektrisch resistiv leitende Widerstandshülle aufweist.

Der Flächensensor wird also von einer einlagigen Gewebematte gebildet mit Gewebefasern, die vorzugsweise rechtwinklig in klassischer Weise miteinander verwoben sind, d.h. sich abwechselnd oben und unten kreuzend zueinander angeordnet sind. An den Kreuzungen berühren sich die Gewebefasern, so dass an den Kreuzungen ständig ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden sich kreuzenden Gewebefasern besteht.

Wenn ein Tastdruck auf das Gewebe ausgeübt wird, wird die Widerstandshülle der Gewebefasern, insbesondere im Bereich der Kreuzungen, komprimiert. Hierdurch verringert sich zwangsläufig der elektrische Widerstand der Widerstandshülle an diesem Ort, so dass sich auch der Gesamtwiderstand an einem Kreuzungspunkt zwischen zwei sich kreuzenden Gewebefasern verringert. Durch Messung der Widerstände zwischen allen sich kreuzenden Gewebefasern kann der Tastort, die Tastkraft und die Tastfläche ermittelt werden. Das Gewebe ist verhältnismäßig flexibel und kann auch an mit kleinen Radien gewölbte Vorrichtungen fixiert werden, beispielsweise an einen Datenhandschuh.

Selbstverständlich können auch mehr als zwei Vorzugsrichtungen von Gewebefasern miteinander verwoben werden, beispielsweise in drei Richtungen von zueinander parallelen Gewebefasern, die jeweils in einem Winkel von 60° zueinander angeordnet sind.

Vorzugsweise sind die Leitungen Metalldrähte oder Kohlefaserdrähte. Metalldrähte und Kohlefaserdrähte weisen eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe plastische und elastische Biegsamkeit auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Gewebe auch auf Vorrichtungen mit kleinen Radien applizierbar ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die Widerstandshülle z. B. aus Silikon oder Kunststoff. Als Kunststoff kann beispielsweise Polyethylen verwendet werden. In den Kunststoff können homogen verteilt elektrisch leitende Partikel eingelagert sein, beispielsweise Graphit- oder Rußpartikel. Hierdurch kann die spezifische Leitfähigkeit der Widerstandshülle gezielt angepasst werden.

Vorzugsweise ist ein Auswertemodul vorgesehen, das ein Widerstandsmessmodul aufweist und den elektrischen Widerstand an allen Kreuzungen einzeln ermittelt und auswertet. Hierzu sind die elektrischen Leitungen der Gewebefasern alle einzeln an das Auswertemodul angeschlossen. Das Auswertemodul ermittelt nacheinander den Widerstand zwischen allen sich kreuzenden Gewebefaser-Paaren. Hieraus lassen sich schließlich der Tastort, die Tastkraft und die Tastfläche ermitteln.

Gemäß einem nebengeordneten Anspruch weist eine sensorische Gewebefaser für einen taktilen Flächensensor zur Feststellung eines Tastortes einen Faserkern aus einer elektrischen Leitung und eine elastische und elektrisch resistiv leitende Widerstandshülle auf.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 einen taktilen Flächensensor, bestehend aus einem Gewebe und einem Auswertemodul, und

2 eine Gewebefaser des Gewebes des Flächensensors der 1 im Querschnitt.

In 1 ist ein taktiler Flächensensor 10 zur Feststellung eines Tastortes dargestellt, der an viele verschiedene Anwendungen und Vorrichtungen applizierbar ist.

Der Flächensensor 10 besteht unter anderem aus einem Gewebe 12 aus sich im rechten Winkel kreuzenden und an den Kreuzungen sich berührenden Gewebefasern 2125, 3135.

In 2 ist eine Gewebefaser 21 exemplarisch im Querschnitt dargestellt. Jede Gewebefaser 21 weist einen Faserkern aus einer elektrischen Leitung 16 und eine die Leitung 16 vollständig umgebende elastische und resistiv leitende Widerstandshülle 18 auf. Die elektrische Leitung wird von einem Metalldraht, alternativ auch von einem Kohlefaserdraht oder einem anderen elektrisch leitendem Material, gebildet. Die elektrische Leitung 16 weist einen vernachlässigbaren elektrischen Widerstand auf.

Die Widerstandshülle 18 dagegen weist einen relativ hohen spezifischen Widerstand auf. Die Widerstandshülle 18 besteht beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff. In den Kunststoff können homogen verteilt elektrisch leitende Partikel eingelagert, beispielsweise Graphit, um den spezifischen Widerstand der Widerstandshülle 18 gezielt bestimmen zu können.

Dem Flächensensor 10 ist ferner ein Auswertemodul 40 zugeordnet, das ein Widerstandsmessmodul 42 aufweist. Das Widerstandsmessmodul 42 mißt nacheinander den Widerstand aller sich kreuzenden Gewebefaser-Paare. Aus den auf diese Weise ermittelten kreuzungsbezogenen Widerstandswerten kann das Auswertemodul 40 auf einen Tastort, eine Tastfläche und eine Tastkraft zurückschließen.

Die Widerstandshülle muss im Querschnitt nicht kreisförmig oder quadratisch ausgebildet sein, sondern kann auch flach, also im Querschnitt oval oder rechteckig ausgebildet. Durch die Breite der Widerstandshülle 18 wird das Rastermaß des Gewebes definiert und sichergestellt, dass das Rastermaß auch bei häufiger Beugung des Gewebes im Wesentlichen erhalten bleibt.


Anspruch[de]
Taktiler Flächensensor (10) zur Feststellung eines Tastortes, mit einem Gewebe (12) aus sich kreuzenden und an den Kreuzungen sich berührenden Gewebefasern (2125, 3135), wobei jede Gewebefaser (2125, 3135) einen Faserkern aus einer elektrischen Leitung (16) und eine elastische und resistiv leitende Widerstandshülle (18) aufweist. Taktiler Flächensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (16) ein Metalldraht oder ein Kohlefaserdraht ist. Taktiler Flächensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandshülle (18) aus Kunststoff besteht. Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandshülle (18) flach ausgebildet ist. Taktiler Flächensensor nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswertemodul (40) vorgesehen ist, das ein Widerstandsmessmodul (42) aufweist, das den elektrischen Widerstand aller Kreuzungen einzeln ermittelt. Sensorische Gewebefaser (21) für einen taktilen Flächensensor gemäß Anspruch 1, mit einem Faserkern aus einer elektrischen Leitung (16) und einer elastischen und resistiv leitenden Widerstandshülle (18).






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