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 DE 103 41 160 A1 eine flächige Sensormatrix basierend auf einem mechanisch stabilen Trägermaterial hervor. Gewebe-basierte taktile Sensoren werden in der DE 10 2004 025 237 A1 und der DE 10 2006 016 661 B4 beschrieben. Aus der DE 10 2007 020 131 A1 geht ein taktiler Flächensensor mit einem nicht leitenden elastischen Grundkörper hervor. Tactile sensors based on planar matrix arrangements of tactile pixels, so-called "taxel" are known. These are generally based on the detection of electrical effects at the intersections of different tracks or electrodes. In each case, a spatially delimited sensitive cell (taxel) is formed at each crossing point. So goes out of the DE 103 41 160 A1 a flat sensor matrix based on a mechanically stable carrier material forth. Tissue-based tactile sensors are used in the DE 10 2004 025 237 A1 and the DE 10 2006 016 661 B4 described. From the DE 10 2007 020 131 A1 goes out a tactile surface sensor with a non-conductive elastic body.

Aus der DE 37 34 023 A1 ist eine Meßmatte zur Erfassung von Druckverteilungen bekannt. Die Meßmatte enthält eine Matrix von kapazitiven Druckwandlern, die aus den Kreuzungsflächen von Zeilenleitern und Spaltenleitern gebildet sind. Zwischen den Zeilenleitern und Spaltenleitern, an deren Kreuzungsstellen ist ein Dielektrikum aus einzelnen elastischen flachen Körpern angeordnet, deren Größe im Wesentlichen den Kreuzungsflächen der Zeilen- und Spaltenleiter entspricht. Die Abstände der Körper sind so groß, dass sich beim Biegen der Meßmatte die Zeilen oder Spaltenleiter sowie darauf aufgeklebte Isolier- und Abschirmmaterialien in die Zwischenräume einwölben oder darin verklebt werden können. Für die Zeilen- und Spaltenleiter und die Abschirmung werden metallisierte Textilgewebe und aus Metallfäden gestrickte Matten verwendet. From the DE 37 34 023 A1 is a measuring mat for detecting pressure distribution known. The measuring mat contains a matrix of capacitive pressure transducers, which are formed from the intersections of row conductors and column conductors. Between the row conductors and column conductors, at the intersection of which a dielectric of individual elastic flat bodies is arranged, the size of which essentially corresponds to the intersections of the row and column conductors. The distances between the bodies are so great that, when the measuring mat is bent, the rows or column conductors as well as insulating and shielding materials glued thereon can bulge into the intermediate spaces or be glued into them. For the row and column conductors and the shield metallized textile fabrics and mats knitted from metal threads are used.

Aus der US 2002/0194934 A1 ist ein Kraftsensor bekannt, der eine elektrische Eigenschaft aufweist, die über eine vorgegebene Funktion von einer auf den Kraftsensor aufgebrachten Kraft abhängt. Der Kraftsensor umfasst erste flexible elektrisch leitende Fasern und zweite flexible elektrisch leitende Fasern, die an Kreuzungsstellen über eine piezoresistive Verbindung einen elektrischen Kontakt aufweisen. Die vorgegebene Funktion beschreibt einen elektrischen Widerstand, der invers zu einer auf den Kraftsensor aufgebrachten Kraft variiert. From the US 2002/0194934 A1 For example, a force sensor is known that has an electrical property that depends on a predetermined function from a force applied to the force sensor. The force sensor comprises first flexible electrically conductive fibers and second flexible electrically conductive fibers which have an electrical contact at intersections via a piezoresistive connection. The predetermined function describes an electrical resistance that varies inversely with a force applied to the force sensor.

Aus der DE 200 14 200 U1 ist eine Sensoranordnung zur Messung der örtlichen Verteilung einer Messgröße, insbesondere als Sensorsitzmatte zur Sitzbelegungserkennung in einem Kraftfahrzeug bekannt. Die Sensoranordnung umfasst mehrere verteilt angeordnete und matrixförmig zusammen geschaltete Sensorelemente, deren elektrisches Verhalten jeweils von dem örtlichen Wert der Messgröße abhängig ist, sowie mehrere mit den Sensorelementen verbundenen elektrischen Anschlüsse, um das elektrische Verhalten der einzelnen Sensorelemente durch ein Messgerät zu erfassen. Dabei besteht mindestens ein Teil der Sensorelemente jeweils aus einer Reihenschaltung aus einem von dem Wert der Messgröße unabhängigen Vorschaltelement und einem von dem Wert der Messgröße abhängigen Messelement. From the DE 200 14 200 U1 is a sensor arrangement for measuring the local distribution of a measured variable, in particular as a sensor seat mat for seat occupancy detection in a motor vehicle known. The sensor arrangement comprises a plurality of sensor elements distributed in a distributed fashion and arranged in matrix form, whose electrical behavior depends on the local value of the measured variable, as well as a plurality of electrical connections connected to the sensor elements in order to detect the electrical behavior of the individual sensor elements by a measuring device. In this case, at least a portion of the sensor elements each consist of a series circuit of a pre-switching element which is independent of the value of the measured variable and a measuring element dependent on the value of the measured variable.

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 DE 10 2010 034 719.1 ist. Die Offenbarung der DE 10 2010 034 719.1 in Bezug auf das darin beschriebene Folienelement wird hiermit vollumfänglich in den vorliegenden Offenbarungsgehalt einbezogen. Insbesondere wird auf die das Folienelement beschreibenden Ausführungen, sowie die erläuternden Figuren der DE 10 2010 034 719.1 verwiesen. The sensor element according to the invention is based on a film element, which is the subject of a separate patent application filed simultaneously by the applicant with the file reference DE 10 2010 034 719.1 is. The revelation of DE 10 2010 034 719.1 with respect to the film element described therein is hereby incorporated in full in the present disclosure content. In particular, the embodiments describing the film element and the explanatory figures of FIGS DE 10 2010 034 719.1 directed.

In der vorliegenden Anmeldung wird das Folienelement aus der DE 10 2010 034 719.1 um erste und zweite elastisch verformbare, elektrisch leitende Leitungen ergänzt, die auf oder an der ersten bzw. zweiten Oberfläche angeordnet sind, wobei sich erste und zweite Leitungen an Kreuzungsstellen kreuzen. In the present application, the film element of the DE 10 2010 034 719.1 supplemented by first and second elastically deformable, electrically conductive lines, which are arranged on or at the first or second surface, wherein first and second lines intersect at intersections.

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 DE 10 2010 034 719.1 dazu nutzt, die richtungsabhängige Auflösung bei der Erfassung taktiler Reizes zu verbessern. The inventive arrangement of elastically deformable electrically conductive lines, the film element is a flat tactile sensor element, the particular elastic deformability and the structure of the film element of the DE 10 2010 034 719.1 to improve the directional resolution in the detection of tactile stimuli.

Die richtungsabhängige (anisotrope) elastische Verformbarkeit des Folienelements ist, wie in DE 10 2010 034 719.1 beschrieben, durch eine geeignete Wahl der beteiligten elastischen Materialien (für erste und zweite Schicht, für die Abstandshalter, sowie für die elastischen Leitungen), durch eine geeignete Wahl der Form der Abstandshalter, von deren Anordnung und von deren Masse, und durch eine geeignete Wahl des Abstandes mit der die erste und die zweite Oberfläche voneinander beabstandet sind, bei der Herstellung einstellbar. Mit der richtungsabhängigen elastischen Verformbarkeit des Folienelements wird vorliegend auch die richtungsabhängige Sensibilität des Sensorelements im Hinblick auf die Erfassung taktiler Reize festgelegt. So kann das Sensorelement je nach Anforderung an die Auflösung taktiler Reize entsprechend ausgeführt werden. The directional (anisotropic) elastic deformability of the film element is as in DE 10 2010 034 719.1 by a suitable choice of the elastic materials involved (for the first and second layers, for the spacers, as well as for the elastic leads), by a suitable choice of the shape of the spacers, of their arrangement and of their mass, and by a suitable choice the distance with which the first and the second surface are spaced from each other, adjustable during manufacture. With the direction-dependent elastic deformability of the film element, the direction-dependent sensitivity of the sensor element with regard to the detection of tactile stimuli is also defined herein. Thus, the sensor element can be designed according to the requirements of the resolution of tactile stimuli.

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 DE 10 2010 034 719.1 sind. Die Offenbarung der DE 10 2010 034 719.1 in Bezug auf die darin beschriebenen Verfahren wird hiermit vollumfänglich in den vorliegenden Offenbarungsgehalt einbezogen. Insbesondere wird auf die Ausführungen zu Herstellungsverfahren des Folienelements sowie auf die erläuternden Figuren der DE 10 2010 034 719.1 verwiesen. Both of these methods are based on methods for producing a film element, which is the subject of the above-mentioned, separate, simultaneously filed patent application of the applicant with the file number DE 10 2010 034 719.1 are. The revelation of DE 10 2010 034 719.1 with respect to the methods described therein, it is hereby incorporated in full in the present disclosure. In particular, the comments on manufacturing methods of the film element and on the explanatory figures of the DE 10 2010 034 719.1 directed.

In der vorliegenden Anmeldung werden die Verfahren aus der DE 10 2010 034 719.1 um Schritte ergänzt, mit denen vor dem entsprechenden Fügen der ersten und zweiten Schicht, auf die erste bzw. zweite Oberfläche erste bzw. zweite elastisch verformbare, elektrisch leitende erste und zweite Leitungen aufgebracht werden, wobei sich die ersten und zweiten Leitungen an Kreuzungsstellen kreuzen. Je nach Wahl der Dicke der Leitungen und des Abstandes kann eingestellt werden, ob die ersten und zweiten Leitungen im mechanisch unbelasteten Zustand an den Kreuzungsstelle voneinander beabstandet sind oder sie sich an den Kreuzungsstellen berühren. Die ersten und die zweiten Leitungen bestehen 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 nichtleitenden und elastisch verformbaren Leitungskörper mit darin eingelagerten elektrisch leitenden Partikeln bestehen. Die ersten und zweiten Leitung liegen bevorzugt bereits vor deren Aufbringen auf die ersten und zweiten Oberflächen in einem ausgehärteten Zustand, d.h. vernetzt, vulkanisiert oder ausgehärtet vor. Alternativ können die ersten und zweiten Leitungen, analog zu den Abstandshaltern als ein aushärtbares elastisches Material aufgebracht und zeitlich vor dem Aufbringen der Abstandshalter oder gemeinsam mit den Abstandshaltern ausgehärtet werden. In the present application, the methods of the DE 10 2010 034 719.1 are supplemented by steps, with which first and second elastically deformable, electrically conductive first and second lines are applied to the first and second layer before the corresponding joining of the first and second layer, wherein the first and second lines intersect at intersections. Depending on the choice of the thickness of the lines and the distance can be adjusted whether the first and second lines in the mechanically unloaded state at the intersection are spaced from each other or they touch each other at the intersections. The first and the second lines are preferably made 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 may each consist of a non-conductive and elastically deformable lead body with embedded therein electrically conductive particles. The first and second lines are preferably already before their Application to the first and second surfaces in a cured state, ie cross-linked, vulcanized or cured before. Alternatively, the first and second conduits, analogous to the spacers, may be applied as a curable elastic material and cured in time prior to application of the spacers or together with the spacers.

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:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements in Schrägansicht, 1 a schematic representation of a sensor element according to the invention in an oblique view,

2 eine schematische Darstellung des Sensorelements von 1 in Seitenansicht, und 2 a schematic representation of the sensor element of 1 in side view, and

3 eine schematische Darstellung des Sensorelements von 1 bzw. 2 für eine Anwendung auf einer dreidimensional geformten Oberfläche. 3 a schematic representation of the sensor element of 1 respectively. 2 for an application on a three-dimensionally shaped surface.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorelements in Schrägsichtansicht. Dargestellt ist ein Sensorelement mit einer ersten Schicht 101 und einer zweiten Schicht 102. Beide Schichten sind über Abstandshalter 103 miteinander verbunden und im Abstand A beabstandet voneinander angeordnet. Die Abstandshalter 103 sind vereinzelt, in quadratischer Gitterform angeordnet. In Zwischenräumen/Hohlräumen zwischen den Abstandshaltern 103 und der ersten 101 und zweiten 102 Schicht verlaufen erste 104 und zweite 105 elektrisch leitende, elastisch verformbare Leitungen. Die ersten Leitungen 104 verlaufen zueinander parallel. Ebenso die zweiten Leitungen 105, wobei die ersten 104 und zweiten 105 Leitungen sich kreuzend, vorliegend orthogonal zueinander, angeordnet sind. Weiterhin sind die ersten Leitungen 104 an der ersten Oberfläche der ersten Schicht 101 und die zweiten Leitungen 105 and der zweiten Oberfläche der zweiten Schicht 102 angeordnet. Die Kreuzungsstellen sind in Bereichen zwischen den Abstandshaltern 103 angeordnet. Im mechanisch unbelasteten Zustand kreuzen sich die ersten 104 und zweiten 105 Leitungen an den Kreuzungsstellen nicht-berührend. 1 shows a schematic representation of a sensor element according to the invention in an oblique view. Shown is a sensor element with a first layer 101 and a second layer 102 , Both layers are over spacers 103 interconnected and at a distance A spaced apart from each other. The spacers 103 are isolated, arranged in square lattice form. In spaces / cavities between the spacers 103 and the first one 101 and second 102 Layer run first 104 and second 105 electrically conductive, elastically deformable cables. The first lines 104 are parallel to each other. Likewise the second lines 105 , where the first 104 and second 105 Lines intersecting, in the present case orthogonal to each other, are arranged. Furthermore, the first lines 104 at the first surface of the first layer 101 and the second lines 105 and the second surface of the second layer 102 arranged. The intersections are in areas between the spacers 103 arranged. In the mechanically unloaded state, the first intersect 104 and second 105 Non-contacting cables at the crossing points.

Durch die Verwendung polymer-basierter erster 103 und zweiter 104 Leitungen(Leiterbahnen) ist das Sensorelement insgesamt elastisch verformbar ausgeführt. Es weist zwischen den Abstandshaltern 103 und der ersten Oberfläche der ersten Schicht 101 und der zweiten Oberfläche der zweiten Schicht 102 Zwischenräume/Hohlräume auf, die vorliegend luftgefüllt sind. Das Sensorelement kann bei entsprechender Wahl der verwendeten Materialien und Schichtdicken als hochflexibles, dünnes und elastisch dehnbares Sensorelement ausgeführt sein. Diese Eigenschaften ermöglichen es, dass das erfindungsgemäße Sensorelement auf stark gekrümmten Oberflächen, wie bspw. einem Greiffinger einer Roboterhand, einem medizinischen Instrument für minimalinvasive Eingriffe etc. aufgebracht werden kann, um dort den cutanen Tastsinn des Menschen nachzubilden und um so beispielsweise die Position, die Form, die stoffliche Konsistenz oder die Obersflächenstruktur berührter Objekte festzustellen. By using polymer-based first 103 and second 104 Lines (conductors), the sensor element is designed to be elastically deformable overall. It points between the spacers 103 and the first surface of the first layer 101 and the second surface of the second layer 102 Interspaces / cavities which are presently filled with air. The sensor element can be designed as a highly flexible, thin and elastically extensible sensor element with a suitable choice of the materials and layer thicknesses used. These properties make it possible for the sensor element according to the invention to be applied to strongly curved surfaces, such as a gripper finger of a robot hand, a medical instrument for minimally invasive procedures, etc., in order to reproduce the cutaneous sense of touch of humans and, for example, the position that Form to determine the material consistency or the surface structure of touched objects.

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 104 und zweiten 105 Leitungen wird zwischen der jeweiligen ersten Leitung 104 und der jeweiligen zweiten Leitung ein elektrischer Kondensator gebildet. Wird auf das Sensorelement ein taktiler Reiz aufgebracht, so wird das Sensorelement komprimiert und die ersten 104 und zweiten 105 Leitungen nähern sich einander an. Die elektrische Kapazität am jeweiligen Kreuzungspunkt ändert sich hierdurch. Dieser Effekt kann erfasst und ausgewertet werden. Durch den besonderen Aufbau des Sensorelements mit den Zwischenräumen und der über die Abstandshalter beabstandeten ersten 101 und zweiten 102 Schicht, müssen hierbei nur sehr kleine Materialvolumina verformt werden, damit sich die erstem 104 und zweiten 105 Leitungen einander annähern und so eine Kapazitätsänderung auftritt. Hierdurch wird für eine taktile Reizung des Sensorelements eine sehr hohe Empfindlichkeit erreicht, so dass bereits kleinste Berührungen erfasst werden können. Die Kapazitätsänderung an den Kreuzungspunkten kann zudem für die Identifizierung der mit Druck beaufschlagten Kreuzungspunkte und somit zur Erfassung der Druckverteilung auf das Sensorelement genutzt werden. At each intersection of the first 104 and second 105 Lines will be between the respective first line 104 and the respective second line forms an electrical capacitor. If a tactile stimulus is applied to the sensor element, then the sensor element is compressed and the first 104 and second 105 Lines approach each other. The electrical capacitance at the respective crossing point changes as a result. This effect can be recorded and evaluated. Due to the special structure of the sensor element with the gaps and spaced by the spacers first 101 and second 102 Layer, this only very small volumes of material must be deformed, so that the first 104 and second 105 Lines approach each other and so a capacity change occurs. As a result, a very high sensitivity is achieved for a tactile stimulation of the sensor element, so that even the smallest touches can be detected. The change in capacitance at the crossing points can also be used for the identification of the pressure intersected points and thus for detecting the pressure distribution on the sensor element.

2. Elektrischer Übergangswiderstand 2. Electrical contact resistance

Wird der taktile Reiz in seiner Intensität weiter erhöht, berühren sich die ersten 104 und zweiten 105 Leitungen an den betreffenden Kreuzungspunkten. Dadurch wir ein elektrischer Widerstand messbar. Bei weiterer Erhöhung der Reizintensität (Kraft- oder Druckerhöhung) verformen sich die ersten 104 und zweiten 105 Leitungen an den betreffenden Kreuzungspunkten elastisch. Hierdurch verändert sich die Kontaktfläche zwischen den Leitungen an den jeweiligen Kreuzungspunkten und der elektrische Übergangswiderstand verändert sich. Diese Widerstandsänderung kann für jeden Kreuzungspunkt erfasst und ausgewertet werden. If the intensity of the tactile stimulus is further increased, the first touches 104 and second 105 Lines at the respective crossing points. This allows us to measure an electrical resistance. With a further increase in the stimulus intensity (increase in force or pressure), the first ones deform 104 and second 105 Lines at the respective intersection points elastic. As a result, the contact area between the lines at the respective crossing points changes and the electrical contact resistance changes. This resistance change can be detected and evaluated for each crossing point.

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 DE 10 2007 020 131 beschriebene Effekt zur Bestimmung der mechanischen Dehnung erfasst werden. Hierbei wird die dehnungs-abhängige Änderung des elektrischen Leitungswiderstands in den Leitungen erfasst und ausgewertet. If a mechanically soft material is used under the sensor element can also in DE 10 2007 020 131 described effect for determining the mechanical strain can be detected. Here, the strain-dependent change in the electrical resistance in the lines is detected and evaluated.

Werden die ersten 104 und zweiten 105 Leitungen beispielweise in einem Press- oder Druckverfahren hergestellt, so kann deren Querschnitt nahezu beliebig gewählt werden. Dies kann genutzt werden, um die Übertragungsfunktion des unter Punkt 2. beschriebenen Effekts zu linearisieren. Die verwendeten ersten 104 und zweiten 105 Leitungen in X- bzw. Y-Richtung werden vorliegend im mechanisch unbelasteten Zustand des Sensorelements durch die Abstandshalter 103 räumlich voneinander getrennt. Be the first 104 and second 105 Cables produced, for example, in a pressing or printing process, so the cross section can be chosen almost arbitrary. This can be used to linearize the transfer function of the effect described under point 2. The first used 104 and second 105 Lines in the X or Y direction are present in the mechanically unloaded state of the sensor element by the spacers 103 spatially separated.

2 zeigt eine schematische Darstellung des Sensorelements von 1 in Seitenansicht, in einem mechanisch unbelasteten Ruhezustand, d.h. einem Zustand in dem das Sensorelement vorliegt, sofern kein taktiler Reiz eingebracht wird. Deutlich zu erkennen sind die Abstandshalter 103, welche bedingt durch das Auseinanderbewegen der ersten 101 und zweiten 102 Schicht während des Herstellungsprozesses eine einschalige hyperboloide Außenkontur aufweisen. Die erste und die zweite Oberfläche sind mit einem Abstand A voneinander beabstandet. Weiterhin deutlich zu erkennen ist, dass die ersten 104 Leitungen und die zweiten Leitungen 105 sich an den Kreuzungsstellen nicht berühren. 2 shows a schematic representation of the sensor element of 1 in side view, in a mechanically unloaded resting state, ie a state in which the sensor element is present, unless a tactile stimulus is introduced. Clearly visible are the spacers 103 , which due to the moving apart of the first 101 and second 102 Layer have a single-shell hyperboloid outer contour during the manufacturing process. The first and second surfaces are spaced apart by a distance A. Furthermore, it can be clearly seen that the first 104 Lines and the second lines 105 Do not touch at the crossroads.

3 zeigt eine schematische Darstellung des Sensorelements von 1 bzw. 2 für eine Anwendung auf einer dreidimensional geformten Oberfläche. Durch die elastische Verformbarkeit des gesamten Sensorelements lassen sich auch dreidimensional geformte Oberflächen, wie bspw. ein Greifer, ein Roboterfinger, etc. mit dem flächigen taktilen Sensorelement ausrüsten. 3 shows a schematic representation of the sensor element of 1 respectively. 2 for an application on a three-dimensionally shaped surface. The elastic deformability of the entire sensor element also makes it possible to equip three-dimensionally shaped surfaces, such as, for example, a gripper, a robot finger, etc., with the planar tactile sensor element.

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

Claims (8)

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. Sensor element for detecting tactile stimuli, comprising: a non-conductive, elastically deformable first layer ( 101 ) having a first surface, - a nonconductive elastically deformable second layer ( 102 ) with a second surface, wherein the first and the second surface facing each other and immediately above between the first and second surfaces isolated formed and elastically deformable spacers ( 103 ) are spaced apart from each other and connected to each other, - one or more elastically deformable, electrically conductive first lines ( 104 ), which are arranged on or at the first surface, and - elastically deformable, electrically conductive second lines ( 105 ) disposed on or at the second surface, wherein the first ( 104 ) and the second ( 105 ) Intersect lines at intersections, with the first ( 104 ) and the second ( 105 ) Lines are spaced at the intersection points in a mechanically unloaded state of the sensor element. Sensorelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Abstandshaltern (103) und der ersten und der zweiten Oberfläche Zwischenräume ausgebildet sind, die von einem fluiden Medium ausgefüllt sind. Sensor element according to claim 1, characterized in that between the spacers ( 103 ) and the first and the second surface are formed spaces which are filled by a fluid medium. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (101), die zweite (102) Schicht und die Abstandshalter (103) aus Silikonmaterial bestehen. Sensor element according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first ( 101 ), the second ( 102 ) Layer and the spacers ( 103 ) consist of silicone material. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (103) als Gitterpunkte eines zweidimensionalen orthogonalen, insbesondere eines kartesischen Gitters angeordnet sind, die ersten Leitungen (104) zueinander parallel und die zweiten Leitungen (105) zueinander parallel angeordnet sind, und die ersten (104) und zweiten (105) Leitungen zueinander orthogonal angeordnet sind. Sensor element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the spacers ( 103 ) are arranged as grid points of a two-dimensional orthogonal, in particular a Cartesian grid, the first lines ( 104 ) parallel to each other and the second lines ( 105 ) are arranged parallel to each other, and the first ( 104 ) and second ( 105 ) Lines are arranged orthogonal to each other. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (104) und die zweiten (105) Leitungen aus einem elektrisch nichtleitenden Polymermaterial mit eingelagerten leitfähigen Partikeln bestehen. Sensor element according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first ( 104 ) and the second ( 105 ) Lines of an electrically non-conductive polymer material with embedded conductive particles. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement eine Dicke von < 1 mm aufweist, wobei die erste (101) und die zweite (102) Schicht jeweils eine Schichtdicke von < 0,1 mm aufweist, und die Abstandshalter als Gitterpunkte eines zweidimensionalen kartesischen Gitters angeordnet sind, das eine Gitterkonstante im Bereich von: < 1 mm aufweist. Sensor element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the sensor element has a thickness of <1 mm, wherein the first ( 101 ) and the second ( 102 ) Layer each have a layer thickness of <0.1 mm, and the spacers are arranged as lattice points of a two-dimensional Cartesian lattice having a lattice constant in the range of: <1 mm. Taktiler Sensor mit einem Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, und mit einem Auswertemodul, das mit den ersten (104) und zweiten (105) Leitungen verbindbar ist, wobei das Auswertemodul – ein Kapazitätsmessmodul, mit dem elektrische Kapazitätsänderungen an einzelnen Kreuzungspunkten der ersten (104) und zweiten (105)Leitungen ermittelbar sind, und/oder – ein Widerstandsmessmodul, mit dem ein elektrischer Übergangswiderstand an einzelnen Kreuzungspunkten der ersten (104) und zweiten (105) Leitungen ermittelbar ist, und/oder – ein Widerstandsmessmodul, mit dem elektrische Leitungswiderstände der einzelnen ersten (104) und zweiten (105) Leitungen ermittelbar sind, aufweist. Tactile sensor with a sensor element according to one of claims 1 to 6, and with an evaluation module, which with the first ( 104 ) and second ( 105 ) Lines, wherein the evaluation module - a capacitance measuring module, with the electrical capacitance changes at individual crossing points of the first ( 104 ) and second ( 105 ) Lines can be determined, and / or - a resistance measuring module with which an electrical contact resistance at individual crossing points of the first ( 104 ) and second ( 105 ) Lines can be determined, and / or - a resistance measuring module, with the electrical line resistance of each first ( 104 ) and second ( 105 ) Lines can be determined has. Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements zur Erfassung taktiler Reize gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer elastisch verformbaren ersten Schicht (101) mit einer ersten Oberfläche, – Aufbringen von vereinzelt ausgebildeten und voneinander beabstandet angeordneten ersten Abstandshaltern (103) aus einem aushärtbaren Polymermaterial in einer ersten Anordnung auf der ersten Oberfläche, – Aufbringen einer oder mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender erster Leitungen (104) auf oder an der ersten Oberfläche zwischen den ersten Abstandshaltern, – Bereitstellen einer elastisch verformbaren zweiten Schicht (102) mit einer zweiten Oberfläche, – Aufbringen mehrerer elastisch verformbarer, elektrisch leitender zweiter Leitungen (105) auf oder an der zweiten Oberfläche, so dass bei einem anschließenden Fügen der zweiten Oberfläche auf die ersten Abstandshalter (103), an deren von der ersten Oberfläche abgewandten Enden, die zweiten Leitungen (105) zwischen den Abstandhaltern angeordnet sind, wobei sich die ersten (104) und zweiten Leitungen (105) an Kreuzungsstellen kreuzen, – Auseinanderbewegen der ersten (101) und zweiten (102) Schicht so, dass die erste und zweite Oberfläche einen vorgegebenen Abstand voneinander aufweisen und die Abstandshalter (103) die erste und zweite Oberfläche unmittelbar verbinden, – Aushärten der Abstandshalter (103), wobei das Polymermaterial der Abstandshalter (103) nach dem Aushärten elastisch verformbar bleibt und die Abstandshalter (103) in einem mechanisch unbelasteten Zustand die erste und die zweite Oberfläche in einem Abstand A beabstanden. Method for producing a sensor element for detecting tactile stimuli according to one of claims 1 to 6, comprising the following steps: - providing an elastically deformable first layer ( 101 ) with a first surface, - application of sparsely formed and spaced apart first spacers ( 103 ) of a curable polymer material in a first arrangement on the first surface, - applying one or more elastically deformable, electrically conductive first lines ( 104 ) on or at the first surface between the first spacers, Providing an elastically deformable second layer ( 102 ) having a second surface, - applying a plurality of elastically deformable, electrically conductive second lines ( 105 ) on or at the second surface, such that when the second surface is subsequently joined to the first spacers ( 103 ), at whose ends remote from the first surface, the second lines ( 105 ) are arranged between the spacers, wherein the first ( 104 ) and second lines ( 105 ) at intersections, - moving apart the first ( 101 ) and second ( 102 ) Layer so that the first and second surfaces are a predetermined distance from each other and the spacers ( 103 ) connect the first and second surfaces directly, - curing the spacers ( 103 ), wherein the polymer material of the spacers ( 103 ) remains elastically deformable after curing and the spacers ( 103 ) in a mechanically unloaded state, the first and the second surface at a distance A space.
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