DE102010034717B4 - Sensor element for detecting tactile stimuli - Google Patents
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Abstract
Sensorelement zur Erfassung taktiler Reize, aufweisend: – eine nichtleitende, elastisch verformbare erste Schicht (101) mit einer ersten Oberfläche, – eine nichtleitende elastisch verformbare zweite Schicht (102) mit einer zweiten Oberfläche, wobei die erste und die zweite Oberfläche einander zugewandt und unmittelbar über zwischen der ersten und zweiten Oberfläche vereinzelt ausgebildeten und elastisch verformbaren Abstandshaltern(103) voneinander beabstandet angeordnet und miteinander verbunden sind, – eine oder mehrere elastisch verformbare, elektrisch leitende erste Leitungen (104), die auf oder an der ersten Oberfläche angeordnet sind, und – elastisch verformbare, elektrisch leitende zweite Leitungen (105), die auf oder an der zweiten Oberfläche angeordnet sind, wobei sich die ersten (104) und die zweiten (105) Leitungen an Kreuzungsstellen kreuzen, wobei die ersten (104) und die zweiten (105) Leitungen an den Kreuzungsstellen in einem mechanisch unbelasteten Zustand des Sensorelements voneinander beabstandet sind.A sensor element for detecting tactile stimuli, comprising: - a nonconductive, elastically deformable first layer (101) having a first surface, - a nonconductive elastically deformable second layer (102) having a second surface, wherein the first and second surfaces face each other and immediately one or more elastically deformable, electrically conductive first leads (104) disposed on or on the first surface, and spaced from one another by means of spaced apart and elastically deformable spacers (103) between the first and second surfaces; Elastically deformable, electrically conductive second leads (105) disposed on or at the second surface, the first (104) and second (105) leads crossing at intersections, the first (104) and the second (105) 105) lines at the intersections in a mechanically unloaded condition d of the sensor element are spaced from each other.
Description
Die Erfindung betrifft ein elastisch verformbares, flächiges Sensorelement zur Erfassung taktiler Reize, eine Vorrichtung zur Erfassung taktiler Reize mit einem ebensolchen Sensorelement sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements. The invention relates to an elastically deformable, planar sensor element for detecting tactile stimuli, to a device for detecting tactile stimuli with a sensor element of the same type and to a method for producing the sensor element.
Ein potentielles Anwendungsgebiet für das Sensorelement liegt im Bereich der Robotik und Telemanipulation, aber auch speziell im Bereich der Medizintechnik. In diesen Bereichen ist eine Ausstattung von Greiffingern, Instrumenten, etc. mit einer taktilen Sensorik wünschenswert, die es erlaubt, den cutanen Tastsinn des Menschen nachzubilden, um beispielsweise die Position, die Form, die stoffliche Konsistenz oder die Obersflächenstruktur berührter Objekte festzustellen. A potential field of application for the sensor element is in the field of robotics and telemanipulation, but also especially in the field of medical technology. In these areas, it is desirable to equip grasping fingers, instruments, etc. with a tactile sensor system that allows the human's cutaneous sense of touch to be simulated, for example to determine the position, the shape, the material consistency or the surface structure of objects touched.
Taktile Sensoren auf Basis flächiger Matrixanordnungen taktiler Pixel, sogenannter „Taxel“ sind bekannt. Diese basieren im Allgemeinen auf der Erfassung von elektrischen Effekten an den Kreuzungspunkten von verschieden Leiterbahnen oder Elektroden. Dabei wird an jedem Kreuzungspunkt eine räumlich abgegrenzte sensible Zelle (Taxel) gebildet. So geht aus der
Aus der
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elastisch verformbares Sensorelement zur Erfassung taktiler Reize anzugeben, das die Auflösung bei der Erfassung taktiler Reize gegenüber dem Stand der Technik verbessert. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Sensorelements anzugeben. The object of the invention is to provide an elastically deformable sensor element for detecting tactile stimuli, which improves the resolution in the detection of tactile stimuli over the prior art. It is another object of the invention to provide a method for producing the sensor element.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind. The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Der vorrichtungsgemäße Aspekt der Aufgabe ist mit einem Sensorelement zur Erfassung taktiler Reize gelöst, welches aufweist: eine nichtleitende, elastisch verformbare erste Schicht mit einer ersten Oberfläche, eine nichtleitende elastisch verformbare zweite Schicht mit einer zweiten Oberfläche, wobei die erste und die zweite Oberfläche einander zugewandt und unmittelbar über zwischen der ersten und zweiten Oberfläche vereinzelt ausbildeten und elastisch verformbaren Abstandshaltern voneinander beabstandet angeordnet und miteinander verbunden sind, eine oder mehrere elastisch verformbare, elektrisch leitende erste Leitungen, die auf oder an der ersten Oberfläche angeordnet sind, und elastisch verformbare, elektrisch leitende zweite Leitungen, die auf oder an der zweiten Oberfläche angeordnet sind, wobei sich die ersten und die zweiten Leitungen an Kreuzungsstellen kreuzen, wobei die ersten und die zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen in einem mechanisch unbelasteten Zustand des Sensorelements voneinander beabstandet sind. The device-related aspect of the object is achieved with a sensor element for detecting tactile stimuli, comprising: a non-conductive, elastically deformable first layer having a first surface, a non-conductive elastically deformable second layer having a second surface, wherein the first and the second surface facing each other and directly above and between the first and second surfaces individually formed and elastically deformable spacers spaced from each other and connected to each other, one or more elastically deformable, electrically conductive first lines, which are arranged on or on the first surface, and elastically deformable, electrically conductive second conduits disposed on or at the second surface, the first and second conduits intersecting at intersections, the first and second conduits coupling to the first and second conduits Intersection points are spaced apart in a mechanically unloaded state of the sensor element.
Bevorzugt sind die ersten/zweiten Leitungen in Bereichen der ersten/zweiten Oberfläche zwischen den Abstandshaltern angeordnet. Dies gilt insbesondere für die Kreuzungsstellen. Die ersten/zweiten Leitungen können jedoch auch in Abschnitten bzw. teilweise unterhalb der Abstandshalter verlaufen. Preferably, the first / second leads are disposed in regions of the first / second surface between the spacers. This applies in particular to the intersections. However, the first / second lines can also run in sections or partially below the spacers.
Das erfindungsgemäße Sensorelement basiert auf einem Folienelement, welches Gegenstand einer separaten zeitgleich eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen
In der vorliegenden Anmeldung wird das Folienelement aus der
Durch die erfindungsgemäße Anordnung von elastisch verformbaren elektrisch leitenden Leitungen wird das Folienelement zu einem flächigen taktilen Sensorelement, das die besondere elastische Verformbarkeit und den Aufbau des Folienelements aus der
Die richtungsabhängige (anisotrope) elastische Verformbarkeit des Folienelements ist, wie in
In einer einfachen Ausführungsform des Sensorelements sind die Abstandshalter zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche als Gitterpunkte eines zweidimensionalen orthogonalen, insbesondere eines kartesischen Gitters angeordnet. Bevorzug sind dabei die ersten Leitungen zueinander parallel und die zweiten Leitungen zueinander parallel angeordnet, während die ersten und zweiten Leitungen zueinander orthogonal verlaufen. Natürlich sind beliebige weitere Anordnungen der Abstandshalter, beispielsweise mit konzentrischer, rechteckiger Geometrie, bei entsprechender Anordnung der ersten und zweiten Leitungen je nach Aufgabenstellung möglich. Weiterhin können die elastischen Abstandshalter selbst nahezu beliebige Formen annehmen, beispielsweise punktförmige, sternförmige, längliche, linienförmige, auch in sich geschlossene Formen, wie Kreise, Ellipsen etc. In a simple embodiment of the sensor element, the spacers between the first and the second surface are arranged as lattice points of a two-dimensional orthogonal, in particular a Cartesian, lattice. Favor are the first lines parallel to each other and the second lines arranged parallel to each other, while the first and second lines are orthogonal to each other. Of course, any further arrangements of the spacers, for example, with concentric, rectangular geometry, with appropriate arrangement of the first and second lines depending on the task possible. Furthermore, the elastic spacers themselves can take on almost any shape, for example punctiform, star-shaped, oblong, line-shaped, even closed-in forms, such as circles, ellipses, etc.
Die flächige taktile Auflösung des Sensorelements bestimmt sich durch die Flächendichte der Kreuzungsstellen, insbesondere der zwischen den Abstandshaltern angeordneten Kreuzungsstellen. Jede Kreuzungsstelle stellt quasi eine taktile Sensorzelle dar. Ist die Flächendichte der Kreuzungsstellen in einem Flächenbereich groß, so ist die flächige taktile Auflösung des Sensorelements für diesen Flächenbereich hoch. Ist die Flächendichte der Kreuzungsstellen in einem Flächenbereich klein, so ist die flächige taktile Auflösung des Sensorelements für diesen Flächenbereich gering. The areal tactile resolution of the sensor element is determined by the area density of the intersections, in particular of the intersections arranged between the spacers. Each crossing point represents a kind of tactile sensor cell. If the area density of the crossing points in a surface area is large, then the areal tactile resolution of the sensor element for this area area is high. If the area density of the crossing points in a surface area is small, then the areal tactile resolution of the sensor element for this area area is low.
Erfindungsgemäß sind die ersten und die zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen in einem mechanisch unbelasteten Zustand des Sensorelements voneinander beabstandet. Der Begriff „mechanisch unbelasteter Zustand“ meint, dass auf das Sensorelement keine taktilen Reize (Kräfte) einwirken. According to the invention, the first and the second lines are spaced apart at the intersection points in a mechanically unloaded state of the sensor element. The term "mechanically unloaded state" means that act on the sensor element no tactile stimuli (forces).
Durch eine auf das Sensorelement aufgebrachte Kraft (taktiler Reiz) nähern sich die ersten und zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen einander an, was bei weiterer Annäherung bis zu ihrer Berührung, und bei noch weiterer Annäherung zu einer elastischen Verformung der ersten und zweiten Leitungen führen kann. Diese Annäherung der ersten und zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen hat kapazitive bzw. die elektrische Leitfähigkeit der ersten und zweiten Leitungen betreffende messbare Wirkungen, mittels denen die eingebrachten taktilen Reize in bekannter Weise ausgewertet werden können. Bei Verschwinden der aufgebrachten Kraft stellt sich der „mechanisch unbelastete Zustand“ mit einer richtungsabhängig bekannten, beherrschbaren und bei der Auswertung der vorstehend angegebenen messbaren Wirkungen zu berücksichtigenden Hysterese ein. By a force applied to the sensor element (tactile stimulus) approach the first and second lines at the intersection of each other, which may lead to further contact on their approach, and further approach to an elastic deformation of the first and second lines. This approximation of the first and second lines at the crossing points has capacitive or electrical conductivity of the first and second lines relevant measurable effects by means of which the introduced tactile stimuli can be evaluated in a known manner. When the applied force disappears, the "mechanically unloaded state" is established with a hysteresis which is known, manageable and must be taken into account in the evaluation of the abovementioned measurable effects.
In einer alternativen Ausgestaltung des Sensorelements berühren sich die ersten und die zweiten Leitungen an den Kreuzungsstellen bereits im mechanisch unbelasteten Zustand des Sensorelements. Durch das Aufbringen einer äußeren mechanischen Kraft (taktiler Reiz) auf das Sensorelement werden die ersten und zweiten Leitungen an den jeweils betroffenen Kreuzungsstellen nun elastisch verformt, was jeweils betroffenen eine messbare Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der betroffenen Leitungen bewirkt. In an alternative embodiment of the sensor element, the first and the second lines touch at the crossing points already in the mechanically unloaded state of the sensor element. By applying an external mechanical Force (tactile stimulus) on the sensor element, the first and second lines are now elastically deformed at the respective intersection points affected, which causes each affected a measurable change in the electrical conductivity of the affected lines.
Bevorzugt bestehen die erste und die zweite Schicht und die Abstandshalter aus einem Polymermaterial, insbesondere aus einem Silikonmaterial. Weiterhin bestehen die ersten und die zweiten Leitungen bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Polymermaterial, wie cis-Polyacetylen (PA), trans-Polyacetylen (PA) oder Poly-Para-Phenylen (PPP). Alternativ können die ersten und zweiten Leitungen jeweils aus einem nicht-leitenden und elastisch verformbaren Leitungskörper mit darin eingelagerten elektrisch leitenden Partikeln bestehen. The first and the second layer and the spacers preferably consist of a polymer material, in particular of a silicone material. Furthermore, the first and the second lines preferably consist of an electrically conductive polymer material, such as cis-polyacetylene (PA), trans-polyacetylene (PA) or poly-para-phenylene (PPP). Alternatively, the first and second lines can each consist of a non-conductive and elastically deformable lead body with embedded therein electrically conductive particles.
Die erste und/oder die zweite Schicht weist/weisen bevorzugt eine Schichtdicke von < 30 mm, < 15 mm, < 10mm, < 5 mm, < 2 mm, < 1 mm, < 0,5 mm, < 0,1 mm, oder < 0,05 mm auf. Je nach Anwendung weist das Sensorelement bestehend aus erster und zweiter Schicht und dazwischen angeordneten Abstandshaltern eine Dicke von < 50 mm, < 25 mm, < 10 mm, < 5 mm, < 2 mm, < 1 mm, < 0,5 mm oder < 0,1 mm auf. Weiterhin beträgt der Abstand der ersten zur zweiten Oberfläche bevorzugt < 15 mm, < 10 mm, < 5 mm, < 3 mm, < 2 mm, < 1 mm, < 0,5 mm, < 0,2 mm, < 0,1 mm oder <0,05 mm. Die erste und die zweite Oberfläche können mit einem flächig konstanten Abstand voneinander beabstandet sein, dieser Abstand kann aber auch, je nach Anwendung und Aufgabenstellung flächig variieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Abstandshalter als Gitterpunkte eines zweidimensionalen kartesischen Gitters angeordnet, das eine Gitterkonstante im Bereich von: < 10 mm, < 5 mm, < 3mm, < 1 mm, < 0,5 mm, < 0,1 mm, < 0,05 mm oder < 0,01 mm aufweist. Die Zwischenräume zwischen den Abstandshaltern und der ersten und der zweiten Oberfläche sind bevorzugt von einem fluiden Medium ausgefüllt, wobei unter einem fluiden Medium vorliegend eine Substanz verstanden wird, die einer beliebig langsamen Scherung keinen Widerstand entgegensetzt und somit eine endliche Viskosität aufweist. Fluide Medien umfassen daher insbesondere Gase und Flüssigkeiten, aber auch Gele. Weiterhin können die Zwischenräume des Folienelements insgesamt zu einer Umgebung des Folienelements hin offen oder geschlossen sein, d.h. im ersten Fall kann das fluide Medium aus dem Folienelement entweichen oder in dieses eindringen, insbesondere ist der Außendruck (bspw. der Luftdruck) gleich dem Innendruck in den Zwischenräumen, im zweiten Fall ist das fluide Medium in den Zwischenräumen eingeschlossen. Die Wahl des fluiden Mediums und die Ausführungsform (nach Außen abgeschlossene/offene Zwischenräume) beeinflussen die elastischen Eigenschaften des Folienelements und können den Anforderungen entsprechend ausgewählt werden. The first and / or the second layer preferably has a layer thickness of <30 mm, <15 mm, <10 mm, <5 mm, <2 mm, <1 mm, <0.5 mm, <0.1 mm, or <0.05 mm. Depending on the application, the sensor element comprising first and second layers and spacers arranged therebetween has a thickness of <50 mm, <25 mm, <10 mm, <5 mm, <2 mm, <1 mm, <0.5 mm or < 0.1 mm. Furthermore, the distance of the first to the second surface is preferably <15 mm, <10 mm, <5 mm, <3 mm, <2 mm, <1 mm, <0.5 mm, <0.2 mm, <0.1 mm or <0.05 mm. The first and the second surface can be spaced from each other with a constant area distance, but this distance can also vary depending on the application and task area. In a particularly preferred embodiment, the spacers are arranged as grid points of a two-dimensional Cartesian grid having a lattice constant in the range of: <10 mm, <5 mm, <3 mm, <1 mm, <0.5 mm, <0.1 mm, <0.05 mm or <0.01 mm. The intermediate spaces between the spacers and the first and the second surface are preferably filled by a fluid medium, wherein a fluid medium is understood herein to mean a substance which does not resist any slow shear and thus has a finite viscosity. Fluid media therefore include in particular gases and liquids, but also gels. Furthermore, the interspaces of the film element as a whole may be open or closed towards an environment of the film element, i. in the first case, the fluid medium can escape from or penetrate the film element, in particular the external pressure (for example the air pressure) is equal to the internal pressure in the intermediate spaces, in the second case the fluid medium is enclosed in the intermediate spaces. The choice of fluid medium and embodiment (outwardly closed / open spaces) affect the elastic properties of the film element and can be selected according to requirements.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des Sensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass das Sensorelement aus mehreren übereinander angeordneten Sensorelementen gebildet ist, d.h. dass mehrere erfindungsgemäß mit elektrischen Leitungen ausgestatte Folienelemente übereinander angeordnet sind. A particularly preferred development of the sensor element is characterized in that the sensor element is formed from a plurality of superimposed sensor elements, i. a plurality of film elements equipped with electrical lines according to the invention are arranged one above the other.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen taktilen Sensor mit einem Sensorelement gemäß den vorstehenden Ausführungen und mit einem Auswertemodul, das mit den ersten und zweiten Leitungen verbindbar ist, wobei das Auswertemodul ein Kapazitätsmessmodul, mit dem elektrische Kapazitätsänderungen an einzelnen Kreuzungspunkten der ersten und zweiten Leitungen ermittelbar sind, und/oder ein Widerstandsmessmodul, mit dem ein elektrischer Übergangswiderstand an einzelnen Kreuzungspunkten der ersten und zweiten Leitungen ermittelbar ist, und/oder ein Widerstandsmessmodul, mit dem elektrische Leitungswiderstände der einzelnen ersten und zweiten Leitungen ermittelbar sind, umfasst. Aus den ermittelten Kapazitätsänderungen bzw. Übergangswiderstandsänderungen bzw. Leitungswiderstandsänderungen lassen sich der Ort bzw. die betroffene Fläche des taktilen Reizes auf dem Sensorelement als auch der mit dem taktilen Reiz verbundene Krafteintrag ermitteln. The invention furthermore relates to a tactile sensor having a sensor element according to the above embodiments and to an evaluation module that can be connected to the first and second lines, wherein the evaluation module is a capacitance measuring module, with which electrical capacitance changes can be determined at individual intersection points of the first and second lines, and / or a resistance measuring module, with which an electrical contact resistance at individual crossing points of the first and second lines can be determined, and / or a resistance measuring module with which electrical line resistances of the individual first and second lines can be determined. The location or the affected area of the tactile stimulus on the sensor element as well as the force input associated with the tactile stimulus can be determined from the ascertained capacitance changes or contact resistance changes or changes in resistance.
Der verfahrensgemäße Aspekt der Aufgabe ist gemäß einer ersten Alternative durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung taktiler Reize gelöst, das folgenden Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen einer elastisch verformbaren ersten Schicht mit einer ersten Oberfläche, Aufbringen von vereinzelt ausgebildeten und voneinander beabstandet angeordneten ersten Abstandshaltern aus einem aushärtbaren Polymermaterial in einer ersten Anordnung auf der ersten Oberfläche, Aufbringen einer oder mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender erster Leitungen auf oder an der ersten Oberfläche zwischen den ersten Abstandshaltern, Bereitstellen einer elastisch verformbaren zweiten Schicht mit einer zweiten Oberfläche, Aufbringen mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender zweiter Leitungen auf oder an der zweiten Oberfläche, so dass bei einem anschließenden Fügen der zweiten Oberfläche auf die ersten Abstandshalter, an deren von der ersten Oberfläche abgewandten Enden, die zweiten Leitungen zwischen den Abstandhaltern angeordnet sind, wobei sich die ersten und zweiten Leitungen an Kreuzungsstellen kreuzen, Auseinanderbewegen der ersten und zweiten Schicht so, dass die erste und zweite Oberfläche einen vorgegebenen Abstand voneinander aufweist und die Abstandshalter die erste und zweite Oberfläche unmittelbar verbinden, Aushärten der Abstandshalter, wobei das Polymermaterial der Abstandshalter nach dem Aushärten elastisch verformbar bleibt und die Abstandshalter in einem mechanisch unbelasteten Zustand die erste und die zweite Oberfläche in einem Abstand A beabstanden. The procedural aspect of the object is achieved according to a first alternative by a method for producing a sensor element for detecting tactile stimuli, comprising the following method steps: providing an elastically deformable first layer having a first surface, applying of sparsely formed and spaced first spacers a curable polymer material in a first arrangement on the first surface, applying one or more elastically deformable, electrically conductive first lines on or on the first surface between the first spacers, providing an elastically deformable second layer having a second surface, applying a plurality of elastically deformable, electrically conductive second lines on or on the second surface, so that in a subsequent joining of the second surface on the first spacer, at which of the first Ob opposite ends, the second leads are disposed between the spacers, the first and second leads crossing at intersections, moving the first and second layers apart such that the first and second surfaces are a predetermined distance apart and the spacers are the first and second Connect surface directly, curing the Spacer, wherein the polymeric material of the spacer after curing remains elastically deformable and the spacers in a mechanically unloaded state, the first and the second surface at a distance A space.
In einer Weiterbildung des vorstehenden Verfahrens erfolgt zunächst das Aufbringen einer oder mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender erster Leitungen auf oder an der ersten Oberfläche und anschließend das Aufbringen der ersten Abstandshalter aus einem aushärtbaren Polymermaterial in einer ersten Anordnung auf der ersten Oberfläche, wobei die Abstandshalter auch teilweise auf die bereits vorhandenen ersten Leitungen aufgebracht werden können. Die Abstandshalter werden bevorzugt vereinzelt, d.h. sich nicht berührend, aufgebracht. Weiterhin werden die ersten und zweiten Leitungen bevorzugt derart auf die jeweiligen Oberflächen aufgebracht, dass sie im fertig hergestellten Sensorelement zwischen den Abstandshaltern angeordnet sind. In one development of the above method, first of all, one or more elastically deformable, electrically conductive first lines are applied to or on the first surface, and then the first spacers made of a curable polymer material are applied in a first arrangement on the first surface, the spacers also can be partially applied to the already existing first lines. The spacers are preferably singulated, i. not touching, upset. Furthermore, the first and second lines are preferably applied to the respective surfaces such that they are arranged in the finished sensor element between the spacers.
Weiterhin wird der verfahrensgemäße Aspekt der Aufgabe gemäß einer zweiten Alternative durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung taktiler Reize gelöst, das folgende Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen einer elastisch verformbaren ersten Schicht mit einer ersten Oberfläche, Aufbringen zweiter Abstandshalter aus einem aushärtbaren Polymermaterial in einer zweiten Anordnung auf der ersten Oberfläche, Aufbringen einer oder mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender erster Leitungen auf oder an der ersten Oberfläche, Bereitstellen einer elastisch verformbaren zweiten Schicht mit einer zweiten Oberfläche, Aufbringen dritter Abstandshalter aus einem aushärtbaren Polymermaterial in einer zur zweiten Anordnung spiegelsymmetrischen dritten Anordnung auf der zweiten Oberfläche, Aufbringen einer oder mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender zweiter Leitungen auf oder an der zweiten Oberfläche, Ausrichten der ersten und zweiten Schicht, so dass sich die auf der ersten und auf der zweiten Oberfläche aufgebrachten Anordnungen der zweiten und dritten Abstandshalter deckungsgleich gegenüberliegen, Fügen der sich jeweils deckungsgleich gegenüberliegenden zweiten und dritten Abstandshalter an ihren jeweiligen freien Enden, Auseinanderbewegen der ersten und zweiten Schicht so, dass die erste und die zweite Oberfläche einen vorgegebenen Abstand voneinander aufweist und die Abstandshalter die erste und zweite Oberfläche verbinden, und Aushärten der Abstandshalter, wobei das Polymermaterial der Abstandshalter nach dem Aushärten elastisch verformbar ist und die Abstandshalter in einem mechanisch unbelasteten Zustand die erste und die zweite Oberfläche in einem Abstand A beabstanden. Furthermore, according to a second alternative, the method according to the object is achieved by a method for producing a sensor element for detecting tactile stimuli, comprising the following method steps: providing an elastically deformable first layer with a first surface, applying second spacers made of a curable polymer material in a second Arrangement on the first surface, applying one or more elastically deformable, electrically conductive first lines on or at the first surface, providing an elastically deformable second layer having a second surface, applying third spacers made of a curable polymer material in a third arrangement mirror-symmetrical to the second arrangement on the second surface, applying one or more elastically deformable, electrically conductive second leads on or on the second surface, aligning the first and second n layer, so that the arranged on the first and on the second surface of the second and third spacers congruent to each other, joining the respectively congruent opposing second and third spacers at their respective free ends, moving apart of the first and second layers so that the first and second surfaces are a predetermined distance from each other and the spacers connect the first and second surfaces, and curing the spacers, wherein the polymer material of the spacers after curing is elastically deformable and the spacers in a mechanically unloaded state, the first and the second Spaced surface at a distance A.
In einer Weiterbildung des vorstehenden Verfahrens erfolgt jeweils zunächst das Aufbringen einer oder mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender erster/zweiter Leitungen auf oder an der ersten/zweiten Oberfläche und anschließend das Aufbringen der zweiten/dritten Abstandshalter aus einem aushärtbaren Polymermaterial in einer zweiten/dritten Anordnung auf der ersten/zweiten Oberfläche, wobei die zweiten/dritten Abstandshalter auch teilweise auf die bereits vorhandenen ersten/zweiten Leitungen aufgebracht werden können. Anmerkung: Die ersten Abstandshalter und die Verbindung aus zweiten und dritten Abstandshaltern werden nachfolgend vereinfachend als jeweils auch als „Abstandshalter“ bezeichnet. In a further development of the above method, in each case initially applying one or more elastically deformable, electrically conductive first / second lines on or on the first / second surface and then applying the second / third spacers made of a curable polymer material in a second / third arrangement on the first / second surface, wherein the second / third spacers may also be partially applied to the already existing first / second conduits. Note: The first spacers and the combination of second and third spacers are referred to as "spacers" in the following.
Die Abstandshalter werden bevorzugt vereinzelt, d.h. sich nicht berührend, aufgebracht. Weiterhin werden die ersten und zweiten Leitungen bevorzugt derart auf die jeweiligen Oberflächen aufgebracht, dass sie im fertig hergestellten Sensorelement zwischen den Abstandshaltern angeordnet sind. Dies trifft insbesondere für die Kreuzungsstellen zu. The spacers are preferably singulated, i. not touching, upset. Furthermore, the first and second lines are preferably applied to the respective surfaces such that they are arranged in the finished sensor element between the spacers. This is especially true for the intersections.
Beide genannten Verfahren basieren auf Verfahren zur Herstellung eines Folienelements, welche Gegenstand der vorstehend genannten, separaten, zeitgleich eingereichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen
In der vorliegenden Anmeldung werden die Verfahren aus der
Das aushärtbare Polymermaterial der Abstandshalter ist bevorzugt ein Thermoplastmaterial oder ein Silikonmaterial, wobei unter dem Begriff „aushärtbar“ vorliegend verstanden wird, dass das elastische Material bzw. das Polymermaterial der Abstandshalter im Zeitpunkt des Aufbringens auf die erste bzw. zweite Oberfläche noch nicht vollständig vernetzt, bzw. nicht vollständig vulkanisiert bzw. nicht vollständig ausgehärtet ist. The curable polymer material of the spacers is preferably a thermoplastic material or a silicone material, the term "curable" being understood here to mean that the elastic material or the polymer material of the spacers does not completely crosslink at the time of application to the first or second surface, or not completely vulcanized or not fully cured.
Das Aufbringen der Abstandshalter bzw. des aushärtbaren elastischen Materials der elektrischen Leitungen erfolgt bevorzugt mittels eines Druck-, Press-, Gieß-, Spritzguss-, Rakel- oder Kalandrierverfahrens. Die erste Oberfläche bzw. die zweite Oberfläche und die darauf aufgebrachten Abstandshalter verbinden sich nach deren Aufbringen, ggf. ist hierfür eine chemische oder physikalische Vorbehandlung, bspw. Erwärmen der ersten/zweiten Oberfläche erforderlich. The application of the spacers or the curable elastic material of the electrical leads is preferably carried out by means of a pressure, molding, casting, injection molding, doctor blade or calendering process. The first surface or the second surface and the spacers applied thereto connect after their application, if necessary, a chemical or physical pretreatment, for example. Heating the first / second surface required.
Zur Einstellung eines vorbestimmten Verformungsverhaltens des Sensorelements können je nach Anforderung für die erste, die zweite Schicht und die Abstandshalter gleiche oder unterschiedliche elastische Materialien verwendet werden. Das richtungsabhängige (anisotrope) Verformungsverhalten des Sensorelements lässt sich weiterhin durch die Wahl der Anordnung der Abstandshalter einstellen. Vorzugsweise weist die Anordnung der Abstandshalter eine trapezförmige, ringförmige, elliptische oder rechteckige, insbesondere quadratische Geometrie auf. Natürlich sind je nach Anforderungen beliebige weitere Anordnungen realisierbar. Die Abstandshalter selbst können beliebige Formen annehmen, die sich im Wesentlichen aus den Anforderungen für das Sensorelement ergeben. So können die Abstandshalter zylinderförmig, wandartig, kubisch oder als einschaliger Hyperboloid etc. ausgeführt sein. To set a predetermined deformation behavior of the sensor element, the same or different elastic materials can be used depending on the requirements for the first, the second layer and the spacers. The directional (anisotropic) deformation behavior of the sensor element can be further adjusted by the choice of the arrangement of the spacers. The arrangement of the spacers preferably has a trapezoidal, annular, elliptical or rectangular, in particular square geometry. Of course, depending on the requirements, any further arrangements can be realized. The spacers themselves may take on any shapes that result essentially from the requirements for the sensor element. Thus, the spacers can be cylindrical, wall-like, cubic or designed as a single-shell hyperboloid etc.
Nachdem die Abstandshalter mit der ersten und der zweiten Oberfläche verbunden sind, werden die erste und die zweite Schicht auseinander bewegt, sodass die erste und die zweite Oberfläche einen vorgegebenen Abstand voneinander aufweisen und die Abstandshalter die erste und zweite Oberfläche verbinden. Der vorgegebene Abstand ist in jedem Fall so zu wählen, dass die Abstandshalter die erste und zweite Oberfläche weiterhin verbinden, d.h. nicht reißen oder sich von einer oder beiden der ersten und zweiten Oberflächen lösen. Durch das Auseinenderbewegen der ersten und zweiten Schicht werden die Abstandshalter in ihren Außenformen verändert. Typischerweise stellt sich hierbei eine zylinderförmige oder einschalig hyperboloide Außenkontur der Abstandshalter ein. Weiterhin wird durch das Auseinanderbewegen die Größe der zwischen den ersten Abstandhaltern und den ersten und zweiten Oberfläche ausgebildeten Zwischenräume eingestellt. Über das Einstellen der Form der Abstandshalter und der Größe der Zwischenräume kann wiederum das richtungsabhängige (anisotrope) Verformungsverhalten des Folienelements vorgegeben bzw. eingestellt werden. After the spacers are joined to the first and second surfaces, the first and second layers are moved apart so that the first and second surfaces are a predetermined distance apart and the spacers connect the first and second surfaces. In any case, the predetermined distance is to be chosen such that the spacers continue to connect the first and second surfaces, i. do not tear or come off one or both of the first and second surfaces. By moving the first and second layers apart, the spacers are changed in their outer shapes. Typically, in this case, a cylindrical or einschalig hyperboloid outer contour of the spacers. Further, by the moving apart, the size of the spaces formed between the first spacers and the first and second surfaces is adjusted. By adjusting the shape of the spacers and the size of the gaps, in turn, the directional (anisotropic) deformation behavior of the film element can be set or adjusted.
Nach dem Auseinanderbewegen erfolgt das Aushärten der Abstandshalter, wobei das Polymermaterial der Abstandshalter nach dem Aushärten elastisch verformbar bleibt und die Abstandshalter in einem mechanisch unbelasteten Zustand die erste und die zweite Oberfläche in einem Abstand A beabstanden. Der Begriff „Aushärten“ wird vorliegend im Sinne von „vernetzen“, „vulkanisieren“, „abkühlen“ oder „aushärten“, je nach verwendetem Polymermaterial verwendet. Nach dem Aushärten ist das Polymermaterial der Abstandshalter elastisch verformbar und im Wesentlichen formstabil. After moving apart, curing of the spacers occurs, wherein the polymer material of the spacers remains elastically deformable after curing and the spacers in a mechanically unloaded state space the first and second surfaces at a distance A. The term "curing" is used herein in the sense of "crosslinking", "vulcanizing", "cooling" or "curing", depending on the polymer material used. After curing, the polymeric material of the spacers is elastically deformable and substantially dimensionally stable.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Further advantages, features and details emerge from the following description, in which an exemplary embodiment is described in detail. Described and / or illustrated features form the subject of the invention, or independently of the claims, either alone or in any meaningful combination, and in particular may additionally be the subject of one or more separate applications. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigen: Show it:
Durch die Verwendung polymer-basierter erster
Das Sensorelement ermöglicht die durch die Erfassung verschiedener Effekte eine kombinierte Druck- und Dehnungsmessung. Dabei werden folgende Effekte genutzt: The sensor element allows the detection of various effects of a combined pressure and strain measurement. The following effects are used:
1. Elektrische Kapazitätsänderung 1. Electrical capacity change
An jedem Kreuzungspunkt der ersten
2. Elektrischer Übergangswiderstand 2. Electrical contact resistance
Wird der taktile Reiz in seiner Intensität weiter erhöht, berühren sich die ersten
3. Elektrischer Leitungswiderstand in den Leitungen 3. Electrical line resistance in the lines
Wird ein mechanisch weiches Material unter dem Sensorelement verwendet kann auch der in
Werden die ersten
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101 101
- elastisch verformbare, elektrisch nichtleitende erste Schicht elastically deformable, electrically non-conductive first layer
- 102 102
- elastisch verformbare, elektrisch nichtleitende zweite Schicht elastically deformable, electrically non-conductive second layer
- 103 103
- Abstandshalter spacer
- 104 104
- elastisch verformbare, elektrisch leitende erste Leitungen elastically deformable, electrically conductive first lines
- 105 105
- elastisch verformbare, elektrisch leitende zweite Leitungen elastically deformable, electrically conductive second lines
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