Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, mit dem ein elektrisches, druckproportionales Signal erzeugbar ist, indem unter Verformung eines elastomeren Körpers ein durch diesen Körper geleiteter elektrischer Strom einen veränderlichen elektrischen Kiderstand erfährt.

Die Forschung beschäftigt sich seit einiger Zeit damit, die Leistungsfähigkeiten und Einsatzmöglichkeiten von sogenannten taktilen Sensoren (Tast- oder Drucksensoren) zu verbessern, (vgl. hierzu Artikel von DARIO, P. und DE ROSSI, D.; "Tactile Sensors and the Gripping Challenge IEEE SPECTRUM 1985, S. 46 - 52).

Die Aufgaben, die bei der Entwicklung zu erfüllen sind, werden dahingehend definiert, Sensoren mit hoher räum¬ licher Auflösung und Empfindlichkeit, großer Bandbreite, guter Linearität und vernachlässigbarer Hysterese zu konstrLiieren, die auch in Umgebungen mit rauhen Einflüs¬ sen arbeiten. Es werden auf S. 48, l.Sp., des vorgenann- ten Artikels einige Sensoren beschrieben, die mit elasto¬ meren Körpern mit piezoelektrischen Eigenschaften arbei- ten. Diese Sensoren haben aber offenbar die vorgesehene Aufgabe nicht erfüllen können, denn über ihre erfolg- reiche Markteinführung ist nichts bekanntgeworden.

Zur Lösung der genannten Aufgaben wird daher gemgß Erfin¬ dung ein neues Konzept vorgeschlagen, bei dem die Druck¬ sensoren der eingangs genannten Art folgende Kennzeichen habe :

a) Das Elastomer des Körpers besitzt einen konstanten, druckunabhängigen elektrischen Leitwert,

b) der Körper kontaktiert im neutralen Zustand einer kleinen Kontaktfläche und hohem Übergangswiderstand eine elektrisch leitende Andruckfläche, wobei die Kon- taktfläche bei Aufbringen einer Kraft P auf den Kör¬ per und/oder auf die Andruckfläche unter reversibler Verformung des Körpers zu vergrößern ist,

c) womit eine reversible Verringerung des Übergangswider- Standes zwischen Körper und Andruckfläche erzeugt ist.

*•_

Das Konzept der Erfindung ist es, einmal einen elasto- eren, leitfähigen Körper mit einer kleinen Kontaktflä- ehe, die beispielsweise als Kegelstumpf oder als Kugel¬ kalotte gestaltet ist, auf eine harte, z.B. metallene Fläche, so aufzudrücken, daß der Körper sich verformt und die Andruckfläche zwischen Körper und harter Fläche sich vergrößert. In kinematischer Umkehrung ist es auch möglich, die ausgedehnte Fläche aus einem elastomeren

Material der eingangs genannten Art als eine Art Kissen zu fertigen und mit einem kleinen, harten und leitfähi¬ gen Körper in die elasto ere Kissenoberfläche einzudrük- ken und damit die Andruckfläche zu vergrößern. Der all- gemeine Erfindungsgedanke ist demnach, daß ein elasti¬ sches Material mit konstantem Leitwert bei Druckänderung sich verformt und sich durch die Verformung die Andruck¬ fläche ändert und damit der elektrische Widerstand.

Ausführungsformen der Erfindung sowie die Einzelheiten der Unteransprüche werden anhand der Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Figur 1 den prinzipiellen Aufbau eines Sensor, bei dem sich ein kugeliger Körper zwischen zwei leitfähigen Druckplatten befindet;

Figur ia die geometrischen Parameter gemäß der FigLir 1;

Figur 2 eine zweite Anordnung, bei dem der Körper eine Zylinderform besitzt und zwei leitfähige Platten auf¬ drückbar ist;

Figur 3 eine dritte Anordnung, bei der sich eine Kugel oder ein zylindrischer Körper zwischen drei Platten befindet;

Figur 4 eine ÄLisfuhrungsform, bei der ein Körper in ein elastisches, nichtleitendes Material eingebettet ist;

Figur 5 eine erste Auswertungsschaltung des Sensorstroms;

Figur 6 eine zweite Auswertungsschaltung für ein Netz von Sensoren;

Figuren 7 und 8 Ausführungsformen für die Anordnung und Anbringung von Körpern;

Figur 9 eine letzte Ausführungsform,

Figur 10 eine Ausführungsform in kinematischer Umkehrung.

In den Figuren 1 und la ist ein Körper 1, bestehend aus einem Elastomer mit definierter elektrischer Leitfähig- keit dargestellt, der sich zwischen zwei ebenen, leit¬ fähigen Platten 2, befindet. Die Platten 2 sind mit elek¬ trischen Anschlüssen 3 und 4 verbunden. Der elektrische Widerstand R des Körpers hängt außer von seinem spezi¬ fischen Leitwert k nicht nur von der Länge 1 des Kör- pers, sondern auch von seiner Querschnittsfläche A ab.

Diese Querschnittsfläche A wird veränderlich gemacht. Es gilt die Beziehung

R = l/ (k^ • A) . ( 1 )

Legt man eine elastische Kugel - Körper 1 - zwischen zwei ebene, gut leitende Platten 2, so wird dies als neutraler Zustand bezeichnet, wobei eine kleine Kontakt¬ fläche und ein hoher Übergangswiderstand gegeben sind. Vorausgesetzt ist, daß das Elastomer des Körpers 1 seinen spezifischen Leitwert unter Aufbringung eines Druckes nicht ändert. Drückt eine Kraft P auf die obere Leiterplatte 2 und damit auf den Körper 1, so verformt sich der Körper und die Andruckfläche 5 gegenüber den Platten 2 wird vergrößert. In Figur la ist der hervorge¬ rufene Längenunterschied mit dl bezeichnet, während der Radius der Kontaktfläche 5 mit r bezeichnet ist. Durch die Elastizität des elasto eren Materials der Kugel ergibt sieht eine reproduzierbare Abhängigkeit von der Wegänderung dl in Bezug auf den Obergangswiderstand. Die Längenänderung selbst spielt dabei keine Rolle, sondern nur die aus ihr resultierende Flächenänderung.

Vernachlässigt man die Verformung durch Quetschung, so findet man nach Figur la zwischen der Weglänge dl, dem Radius r ₀ der Kugel und dem Radius r der Kontaktfläche A den Zusammenhang:

(r ₀ -dl) ² + V ² = ro ² r ² = 2 • r ₀ • dl (1 - dl/(2 • r ₀ ) ) r ² ~ 2 • r ₀ - dl (2)

Damit wird die Kontaktfläche 5 (A) :

A = r ² • π = 2 • r ₀ • dl • π

Der Leitwert G der Anordnung ist dann:

G = k ^• 2 ^• r ₀ ^• π • dl / 1 ^~ k • π • dl mit r ₀ ~ 1/;

Der-Leitwert ist also direkt proportional der Längen¬ änderung dl! Legt man an den Sensor eine Spannung U, so wird der Strom I

I = U - G = U « k « π - dl.

Man beachte, daß die Stromabhängigkeit von der Längen¬ änderung linear abhängt, jedoch praktisch unabhängig vom Durchmesser der Kugel ist. Dadurch hat der Sensor für jede Baugröße im Prinzip die gleiche Empfindlichkeit, kann also beliebig klein werden.

Die einzig nichtlineare Größe ist die Federkraft des Körpers 1. Um gleiche Wege zurückzulegen, werden immer größere Kraftänderungen nötig. Dies bewirkt, daß die Sensorempfindlichkeit anfangs am größten ist, da nur geringe Kräfte der Verformung entgegenstehen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil des Sensorprinzipes dar.

Vorteilhaft hat sich die Verwendung des Werkstoffes Sim- rit (Warenzeichen) der Firma Carl Freudenberg des Typs 50 VMQ 141 002 erwiesen. Dieses besitzt einen spezi- fischen Widerstand von etwa 10 Ohm • cm: Hier besteht folgende Abhängigkeit zwischen Strom und Längenänderung:

I = 31 • U • dl [mA/(V • mm)] .

Das bedeutet, daß unabhängig von der Sensorgröße bei ei¬ ner Spannung von 1 V und einer Wegeänderung von 0,01 mm eine Stromänderung von immerhin 310 μA entstehtI

Das erfinderische Prinzip läßt sich, wie ohne weiteres einsichtig ist, auch für andere, mit einer angespitzten oder abgerundeten Fläche versehene Körper realisieren, beispielsweise für einen zylindrischen Körper, wie er in

Figur 2 dargestellt ist. Hierbei liegt der Körper 1 als zylindrischer Strang auf zwei elektrisch getrennten Plat¬ ten 2 auf. Wird von oben eine verformende Kraft P, bei¬ spielsweise über eine nichtleitende Platte (nicht darge- stellt) aufgebracht, so verforrnt sich der Körper 1 und die Andruckfläche auf beiden Platten 2 wird in gleicher Weise vergrößert. In Figur 9 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der Körper 1 als Pyramide oder Ke¬ gelstumpf gestaltet ist. Die Spitze drückt hierbei auf eine leitende Platte 2 und verformt sich, wenn eine Kraft P auf die Grundfläche der Pyramide aufgebracht wird. Die Abhängigkeit von Verformung, Kraft und Wider¬ standsänderung kann in einfacher Weise empirisch be¬ stimmt werden.

Eine weitere, für die Praxis brauchbare Ausführungsform ist in Figur 4 dargestellt. Hierbei wird eine im Quer¬ schnitt etwa brillenformige Konfiguration für den Körper 1 gewählt. Zwei halbkugelförmige Einzelkörper sind durch eine Verbindung 6 miteinander leitfähig verbunden. Die sphärisch gerundeten Teile der Halbkugel liegen auf zwei Kontaktplatten, 2, 2' auf. Der Körper selbst ist zusätz¬ lich in ein elastisches, nichtleitfähiges Material 7 eingebettet, beispielsweise in die Beschichtung einer Oberseite eines Roboter-Greifarmes. Bei ^' Kontaktierung einer Oberfläche treffen die Kontakte 2, 2'auf diese auf und der Körper 1 beginnt sich zu verformen. Beide Kontakte befinden sich auf derselben Seite, so daß der Druckeffekt sich verdoppelt.

Es ist auch möglich, mehrere Körper zu einer Sternschal¬ tung zu verbinden. Figur 3 zeigt hier ein Ausführungsbei¬ spiel. Hier kann eine Richtungsabhängigkeit der Druckbe¬ lastung erreicht werden, da mehrere, im Raum verteilte Kontaktflächen 2 verwendet worden sind.

Die Auswertung des Sensorstroms erfolgt mit einer ein¬ fachen Schaltung nach Figur 5. Der Strom I durch den Sensor mit der Widerstandsbezeichnung R3 fließt auch durch den Widerstand R und verursacht daran einen seiner Größe entsprechenden Spannungsabfall, der als Ausgangsspannungsänderung erscheint:

U2 = Ui - I ^• R- .

Eine Anordnung vieler Sensoren kann über einen Kreuz¬ schienenverteiler nach Figur 6 ausgewertet werden. Hier kann die Auswertung dadurch ermöglicht werden, daß man mit jedem Sensor eine Diode in Reihe schaltet. Sie dient zur Entkopplung, hat aber sonst keinen wesentlichen Ein¬ fluß auf den Strom. Nach dem heutigen Stand der Technik bereitet es keine Schwierigkeiten, nacheinander mindes¬ tens 10 Sensoren innerhalb einer Millisekunde abzufragen.

Linearität und Genauigkeit spielen für einen Tastsensor der vorgenannten Art eine sekundäre Rolle. Wesentlich ist, daß der Sensor schon bei geringen Kräften anspricht und sehr klein gebaut werden kann. Die einzelnen Körper können weniger als 1 mm Größe besitzen:

Eine Anordnung, die sich insbesondere für den Aufbau von Meß-Netzschaltungen eignet, ist in Figuren 7 und 8 dar¬ gestellt. Hierbei werden einzelne Kugel- und Zylinder- körper 1, 1'durchbohrt und auf eine leitfähige Litze 11 oder einen leitfähigen Draht so stramm aufgefädelt, daß ein guter Kontakt zwischen dem Inneren der Körper und der Litze hergestellt ist. Anschließend wird eine der Ku¬ gelanordnung zugeordnete Anordnung von Andruckflächen 2, 2' hergestellt, indem separate Flächenelemente unterhalb eines jeden Körpers 1 angeordnet sind, die von einer nichtleitenden Basis getragen sind. Zusätzlich können

Gummistützen 8 zwischen die Litzen eingebaut werden, die eine unerwünschte Verformung dieser Litzen verhindern. Drückt nunmehr eine Kraft P über eine beliebig geformte Struktur 9 auf die Anordnung von Körper 1, 1', so werden einige Körper stark, andere wenig, weitere garnicht verformt. Diese Anordnung kann in üblicher Weise über eine mit einer elektronischen Datenverarbeitung gekop¬ pelten Abfrageeinheit abgegriffen werden, so daß die einzeln adressierbaren Körper in eine entsprechende Wertematrix umgewandelt und gespeichert werden können. Mit Hilfe dieser WerteMatrix lassen sich dann über entsprechende Programme Auswertungen vornehmen, so daß die Gestalt der Struktur 9 anhand der Druckparameter erkannt werden kann. Beispielsweise kann eine leichte Kugel von einer ebenso schweren Ringstruktur unterschieden werden.

Die Anordnung der Sensoren kann beispielsweise an einem flächenförmig gestalteten Fühlarm angeordnet sein, so daß beispielsweise ein Roboter die auf einem Förderband liegenden Teile mit den Kriterien "ringförmig" und "kuge¬ lig" unterscheiden und durch* entsprechende Steuerung von Greifarmen diese Teile gesteuert entnehmen und sortieren kann. Wie bereits angedeutet, können derartige Reihen- Spalten-Anordnungen von Sensorkörper auch in elastische, nichtleitende Träger eingebettet werden, so daß eine Sensor-Anordnung entsteht, die der Oberfläche der menschlichen Haut nachgebildet ist und im Prinzip auch deren "Fühlen" nachahmt. Die Sensoren sind in diesem Falle weitgehend gegen äußere Einflüsse geschützt, da sie nur mit ihrer Kontaktfläche aus der sie Substanz herausragen und selbst aus einem Material bestehen, das weitgehend unempfindlich gegen übliche, zerstörende Einflüsse ist, die durch andere Sensoren nicht toleriert werden.

Figur 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der auf einer leitenden Basis 20 über eine Kontaktschicht 21 ein Kis¬ sen 22 aufgesetzt ist. Das Kissen besteht aus einer elas- tomeren, leitfähigen Substanz, ähnlich der, wie sie für den Körper 1, l ¹ beschrieben worden ist. Eine metallene Spitze 23 dringt unter Anwendung einer Kraft P in die Oberfläche des Kissens 22 ein, wobei sich die Andruck¬ fläche zwischen dem Kissen 22 und der Metallspitze 23 vergrößert. Hierdurch verringert sich der elektrische Widerstand. Auch diese Anordnung kann in ähnlichen Konfi¬ gurationen wie in den vorstehenden Figuren 6 bis 8 ange¬ ordnet werden und damit als Grundlage für. einen Druck¬ sensor dienen.

Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 10 ist dem¬ nach der "Körper" das elastomere Kissen 22, während die Andruckfläche die Metallspitze 23 ist.