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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft einen flexiblen kapazitiven Sensor. Genauer betrifft
die Erfindung einen zur Massenherstellung geeigneten kapazitiven
Sensor, der beides ist, physikalisch flexibel und flexibel bei seinen
Anwendungen, und der inkrementelle Änderungen beim Druck
basierend auf den Änderungen der Kapazität des
Sensors wahrnimmt.
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Hintergrund
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Sensoren,
wie der Begriff hier verwendet wird, beziehen sich auf Systeme,
die auf eine Änderung in der Umgebung reagieren. Drucksensoren
reagieren auf eine aufgebrachte Kraft oder einen Druck unter Nutzung
einer Vielfalt von physikalischen Prinzipien. Optische Sensoren ändern
ihre optischen Eigenschaften unter aufgebrachter Kraft. Ähnlich
weisen elektrische Widerstandssensoren, oder einfach Widerstandssensoren,
einen elektrischen Widerstand auf, der sich unter aufgebrachter
Kraft ändert. Piezowiderstandssensoren messen die Änderung des
elektrischen Widerstands von einem Piezowiderstandsmaterial, wenn
Druck aufgebracht wird.
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Kapazitive
Sensoren ändern Kapazität. Dies kann als Reaktion
auf eine aufgebrachte Kraft erfolgen; es kann auch als Reaktion
auf die Nähe von einem Objekt mit einer relativ großen
Kapazität erfolgen, wie beispielsweise eine Person. Kapazitive
Sensoren können auch eine Kombination von Widerstandswahrnehmung
und kapazitiver Wahrnehmung bzw. Messung verwenden, bei welcher
der elektrische Widerstand gemessen wird, wenn sich die Kapazität ändert.
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Kapazitive
Sensoren sind bekannt und werden zum Beispiel in Tastbildschirmen
und Aufzugstasten verwendet. Die Änderung der Kapazität
basiert typischerweise auf einem von zwei Prinzipien. Der erste
Ansatz bringt ein Ändern der durch das Sensor-System überwachten
Kapazität mit sich, durch direkten elektrischen Kontakt
mit einem großen kapazitiven Objekt, üblicherweise
eine Person durch ihre Finger. In bestimmten Fällen kann
diese Art von Sensor auch funktionieren, um die Nähe von einem
Objekt an dem Tast-Sensor zu erfassen, wobei kein physikalischer
Kontakt mit dem Tast-Sensor erforderlich ist. Weil diese Systeme
häufig direkten Kontakt zwischen der Person und den Sensor-System
erfordern, können sie nicht wirken, wenn zum Beispiel die
Person einen Handschuh trägt. Außerdem kann eine
kapazitive Kopplung nicht gut geeignet sein, um den aufgebrachten
Druck oder die Nähe quantitativ zu messen, wobei sie aber
zu einer binären (ein/aus) Wahrnehmung bzw. Messung imstande ist.
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Der
zweite Ansatz verwendet zwei leitfähige Ebenen, die durch
ein kompressibles bzw. zusammendrückbares, elastisches
Dielektrikum getrennt sind. Dieser Verbund bildet einen Kondensator
aus, dessen Kapazität teilweise von dem Abstand zwischen
den leitfähigen Ebenen abhängt. Die Kompression
des Dielektrikums unter Druck ändert die Kapazität
zwischen den Ebenen, was durch das Sensor-System erfasst werden
kann. Durch Kalibrieren der Kompression mit der aufgebrachten Kraft
oder dem Druck, kann dieses System verwendet werden, um die Kraft
oder den Druck der Wechselwirkung bzw. Interaktion mit dem Sensor
zu quantifizieren.
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In
den letzten Jahren gab es ein wachsendes Interesse an so genannten „intelligenten
Tuchwaren (smart fabrics)", die elektronischen Geräten
eine physikalische Flexibilität verleihen. Sie lassen zu,
dass ein elektronisches Gerät in eine bestehende Tuchware
aufgenommen wird, eher als dass sie ein separates elektronisches
Gerät aufweisen. Ein Beispiel von einer intelligenten Tuchware
ist eine Computer-Tastatur, die aufgerollt werden kann, wenn sie
nicht verwendet wird.
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Flexible
Sensoren werden für intelligente Tuchwaren und andere Anwendungen
benötigt, die Flexibilität erfordern. Flexible
optische Drucksensoren wurden zum Beispiel in dem
U.S. Patent 4,703,757 an Cohen und
U.S. Patent 5,917,180 an Reimer & Danisch beschrieben.
Flexible Sensoren, basierend auf einem elektrischen Kontakt von
zwei oder mehr leitenden Ebenen, sind von Eleksen Ltd. aus Iver
Heath, Vereinigtes Königreich, erhältlich. Flexible
Drucksensoren, die Prinzipien des Piezowiderstands nutzen, sind
von Softswitch Ltd. aus Ilkely, Vereinigtes Königreich,
erhältlich. Ein flexibler kapazitiver Sensor, basierend
auf der Kapazität des menschlichen Körpers, ist
in dem
U.S. Patent 6,210,771 an
Post, et al. beschrieben. Ein flexibler kapazitiver Sensor, der
die Änderung im Abstand zwischen leitfähigen Ebenen
nutzt, ist in einer Reihe von U.S. Patenten an Goldman, et al. beschrieben.
Diese Patente lehren die Verwendung von flexiblen leitfähigen
und dielektrischen Lagen, aber sie lehren kein System, das verwendet
werden kann, um einen Ort bzw. eine Stelle zu bestimmen, noch lehren
sie Systeme mit mehrfachen bzw. mehreren Sensoren (über den
einfachen Fall von Replikationen von einem einzelnen Sensor hinaus).
Sämtliche Patentdruckschriften, auf die in dieser Beschreibung
Bezug genommen wird, werden hierdurch spezifisch durch Bezugnahme
in ihrer Gesamtheit aufgenommen, als wenn sie hierin in vollem Umfang
dargelegt wären.
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Somit
bleibt ein Bedarf an einem großflächigen flexiblen
kapazitiven Drucksensor mit einer guten Raumauflösung,
der imstande ist, einen aufgebrachten Druck oder eine Kraft zu quantifizieren.
Hier sprechen wir jene Probleme an durch Beschreiben von mehreren
Verfahren zum Aufbauen eines flexiblen kapazitiven Mess- bzw. Sensor-Systems
mit mehreren Sensoren, welches das Vorhandensein von einer aufgebrachten
Kraft oder einem Druck erfasst und imstande ist, die Größenordnung
und die Stelle der aufgebrachten Kraft oder des Drucks zu bestimmen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwindet viele der Mängel
von kapazitiven Tast-Sensoren. Die vorliegende Erfindung stellt
einen preiswerten, leichtgewichtigen, flexiblen, kapazitiven Sensor
und ein effizientes Verfahren zur Herstellung mit geringen Kosten bereit.
Die vorliegende Erfindung ist ein zur Massenherstellung geeigneter
kapazitiver Sensor, der beides ist, physikalisch flexibel und flexibel
bei seinen Anwendungen, und der inkrementell Druck basierend auf
den Änderungen der Kapazität des Sensors wahrnimmt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Art wie die Komponenten,
nämlich die aktive Lage, die dielektrische Lage und die
Referenzlage, montiert werden können, um den vorliegenden
kapazitiven Sensor bei einem Massenherstellungsprozess auszubilden.
Beschichtungs-, Verleimungs- und Siebdruck-Arbeitsgänge
können einfach automatisiert werden. Derartige Arbeitsgänge
können eine sehr große Anordnung von kapazitiven
Sensoren oder eine große Tuchware herstellen, von welcher
einzelne Sensoren oder Sensor-Anordnungen abgetrennt werden können.
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Ein
anderes wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Kompatibilität
mit der Verwendung von Penetrations- bzw. Durchdringungsverbindern
zum schnellen und einfachen Verbinden von Spuren und der Referenzplatte
mit einem Kapazitätsmesser (ein elektrisches Messsystem),
so dass elektrische Signale von dem vorliegenden Sensor aufgebracht
oder gemessen werden können, ohne die Notwendigkeit für
anwenderspezifische elektrische Verbindungen.
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Noch
ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Nutzung von
Kapazität eher als von Widerstand zum Wahrnehmen eines
Kontakts. Widerstand erfordert typischerweise, dass sich die zwei leitfähigen
Oberflächen berühren; Kapazität erfordert bei
einigen Ausführungsformen nicht nur kein Berühren,
sondern erfordert bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung noch nicht einmal einen physikalischen Kontakt mit dem
Sensor, sondern lediglich Nähe von einer Taste zu dem Finger
des Nutzers.
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Kapazität
kann auch verwendet werden, um den Druck eines Kontakts zu messen
und nicht nur die Tatsache eines Kontakts.
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Noch
ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit
die Position von einer Interaktion zu lokalisieren. Dies kann mehrere
Nutzen aufweisen. Es kann zulassen, dass man die Quelle der Interaktion
weiter definiert, wie beispielsweise ein Bestimmen der Position
von einem Insassen in einem Sitz. Es kann auch zulassen, dass man
unterschiedliche Funktionen an unterschiedliche Bereiche des Sensors
zuteilt, so dass ein einzelner Sensor zum Beispiel verwendet werden
kann, um einen Tastbildschirm zu erzeugen, der eine Vielzahl von
Funktionen steuert.
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Diese
und andere Merkmale und ihre Vorteile werden für Fachleute
der Technik von elektrischen Schaltkreisen und kapazitiven Schaltkreisen
durch ein gründliches Lesen der ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, begleitet durch
die folgenden Zeichnungen, offensichtlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung aufgenommen
sind und die einen Teil von ihr bilden, stellen verschiedene beispielhafte
Aufbauten und Verfahrensabläufe gemäß der
vorliegenden Erfindung dar, und dienen zusammen mit der oben erteilten,
allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der unten dargelegten,
ausführlichen Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung
zu erläutern, wobei:
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1A eine
veranschaulichende schematische Ansicht von einem kapazitiven Sensor
ist, mit einer elektrisch leitfähigen Referenzlage und
einer aktiven Lage, verbunden mit einem Kapazitätsmesser,
und einer flexiblen, elastischen dielektrischen Lage. Optionale äußere
Lagen werden auch gezeigt.
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1B ist
ein schematischer Querschnitt von einem kapazitiven Sensor mit zusätzlichen
dielektrischen und Referenzlagen.
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2 zeigt
eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor,
wo die leitfähigen Elemente eine Gitterausgestaltung ausbilden.
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3A zeigt
eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor,
wo die leitfähigen Elemente eine Serpentinenstreifenausgestaltung
ausbilden.
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3B zeigt
eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor,
wo die leitfähigen Elemente eine Spiralausgestaltung ausbilden.
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4A zeigt
eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor,
wo die leitfähigen Elemente eine Leiterausgestaltung ausbilden.
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4B zeigt
eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor,
wo die leitfähigen Elemente eine verschachtelte Serpentinenstreifenausgestaltung
ausbilden.
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5 zeigt
eine Ausführungsform von einem kapazitiven Drucksensor,
wo die leitfähigen Elemente leitfähige Ebenen
zur Triangulierung bzw. Triangulation ausbilden.
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6 ist
ein Schema von einem Serpentinenstreifen mit variierender Breite.
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7 ist
ein Schema von einer Leiter, wo die Elemente Bereiche mit unterschiedlichen
Breiten aufweisen.
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8A ist
ein Schema, das die elektrischen Größen des flexiblen
Sensors identifiziert, die verwendet werden, um die Stelle von einer
Nutzerinteraktion zu bestimmen.
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8B ist
ein Schema, das die elektrischen Größen des flexiblen
Sensors und des Kapazitätsmessers identifiziert, die verwendet
werden, um die Stelle von einer Nutzerinteraktion zu bestimmen.
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In
dem möglichen Umfang werden gleiche Elemente durch gleiche
Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten bezeichnet.
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Ausführliche Beschreibung der
Erfindung
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Der
flexible kapazitive Sensor erfährt eine Änderung
der Kapazität bei der Aufbringung einer Kraft, die ausreichend
ist, um den Sensor zusammenzudrücken. Der Betrag der aufgebrachten
Kraft ist bis zu einem Punkt verknüpft mit dem Umfang der Änderung
der Kapazität. Bei einer wechselnden Ausführungsform
wird der Widerstand auch gemessen, um die Stelle der Nutzerinteraktion
auf dem Sensor zu bestimmen. Ein Kapazitätsmesser überwacht
den vorliegenden flexiblen kapazitiven Sensor, um zu bestimmen ob
es eine Änderung der Kapazität gab und den Umfang
bzw. das Ausmaß derjenigen Änderung.
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Nun
unter Bezugnahme auf 1A wird eine Ausführungsform
von einem kapazitiven Drucksensor 10 gezeigt, der im Allgemeinen
eine erste leitfähige Lage 101, eine flexible,
elastische dielektrische Lage 102 und eine zweite leitfähige
Lage 108 umfasst. Der kapazitive Drucksensor 10 kann
auch eine Schutzlage 104 auf einer oder beiden Seiten des Sensors 10 umfassen.
Die erste leitfähige Lage 101 und die zweite leitfähige
Lage 108 sind mit dem Kapazitätsmesser 14 elektrisch
verbunden.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung ist die flexible, elastische
dielektrische Lage 102 ein dünner, flexibler,
elastischer Film, der eine Dicke von weniger als 250 Mikrometer
aufweist, vorzugsweise zwischen 8 und 250 Mikrometer, und für
einige Anwendungen zwischen 8 und 50 Mikrometer. Dieser dünne
Film ist im Wesentlichen frei von Luftfehlstellen, was bedeutet,
dass der Film keinen Schaum enthält. Der dünne
Film kann ein Silikon-Film sein, wie beispielsweise ein 7 mil dicker
Duraflex PT9300 Film, der von Deerfield Urethane aus South Deerfield, Massachusetts,
erhältlich ist. Eine Kompressibilität ermöglicht,
dass die Kapazität des Sensors durch eine aufgebrachte
Kraft verändert wird. Der dielektrische dünne
Film wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn eine
Last zwischen 50 und 150 bar aufgebracht wird. Dieser Bereich ermöglicht, dass
ein akzeptables Signal durch den Kapazitätsmesser gelesen
wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform kann die flexible, elastische
dielektrische Lage 102 ein elastischer und höchst
komprimierbarer Schaum mit geschlossenen oder offenen Zellen sein.
Einige geschäumte Materialien umfassen, aber sind nicht beschränkt
auf, Polyurethan-Schäume, Silikon, Gummi. Der dielektrische
Schaum wird vorzugsweise um 50% zusammengedrückt, wenn
eine Last zwischen 0,5 und 1,0 bar aufgebracht wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die dielektrische
Lage eine flexible, elastische Distanz- bzw. Abstandshalter-Tuchware. „Abstandshalter-Tuchware",
wie in dieser Anmeldung definiert, ist eine Tuchware, welche obere
und untere Bodenlagen durch einen Spalt getrennt aufweist, der durch
Abstandshalter-Garne oder Fasern gestützt wird. Die Abstandshalter-Tuchware
oder andere Lagen von Tuchware bei dem Aufbau können ein
gewebtes, gewirktes, nichtgewebtes Material sein, Nadelflor-Materialien
oder dergleichen. Bei einigen Ausführungsformen ist die
Abstandshalter-Tuchware eine Doppel-Nadelleiste-Wirkware, genadelter
Vliesstoff oder ein hi-loft Vliesstoff, bei dem einige der Fasern
zweckmäßig in der vertikalen Richtung ausgerichtet
sind. Die Textilie kann flach sein oder kann einen Flor bzw. Pol
aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Abstandshalter-Tuchware
eine Dicke zwischen 1 mm und 10 cm aufweisen, vorzugsweise zwischen
1 mm und 1 cm. Derartige Textilmaterialien können aus Natur-
oder Kunstfasern ausgebildet sein, wie beispielsweise Polyester,
Nylon, Wolle, Baumwolle, Seide, Polypropylen, Kunstseide, Lyocell,
Poly(Laktid), Akryl und dergleichen, einschließlich Textilmaterialien,
die Mischungen und Kombinationen derartiger Natur- und Kunstfasern
enthalten. Die Abstandshalter-Tuchware wird vorzugsweise um 50%
zusammengedrückt, wenn eine Last zwischen 0,07 und 1,4
bar aufgebracht wird, und wird zwischen 10 und 50% zusammengedrückt,
wenn eine 0,14 bar Last aufgebracht wird. Diese Bereiche ermöglichen, dass
ein akzeptables Signal durch den Kapazitätsmesser gelesen
wird.
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Der
elektrische Widerstand über die flexible, elastische dielektrische
Lage 102 (von einer Seite der dielektrischen Lage 102 zu
ihrer gegenüberliegenden Seite) ist vorzugsweise 109 Ohm oder größer. Je größer
die Dielektrizitätskonstante der flexiblen, elastischen
dielektrischen Lage ist, desto größer ist die
Kapazität des kapazitiven Drucksensors 10. Dies
kann zulassen, dass der Sensor kleinere Signale unterscheidet, folglich
kleinere aufgebrachte Kräfte, was das System empfindlicher
macht.
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Die
leitfähigen Lagen 101 und 108 können hergestellt
werden unter Verwendung einer leitfähigen Beschichtung
auf der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage, eines inhärent
leitfähigen Films oder einer Tuchware, oder einer elektrisch
leitfähigen Beschichtung auf einem Film oder einer Tuchware. Bei
einigen Ausgestaltungen sind die leitfähigen Lagen 101 und 108 vorzugsweise
kontinuierlich. Bei anderen können die leitfähigen
Lagen 101 und 108 separate und diskrete leitfähige
Bereich enthalten.
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Die
leitfähigen Lagen 101 und 108 können durch
Aufbringen von leitfähigen Beschichtungen auf die flexible,
elastische dielektrische Lage 102 oder eine separate Tuchware
oder einen Film ausgebildet werden, die/der auf die flexible, elastische
dielektrische Lage 102 durch Laminieren auf irgendeine Fachleuten
bekannte Art aufgebracht wird. Vorzugsweise wird ein Haftmittel
zwischen den Lagen verwendet. Diese können reaktive Urethan-Haftmittel oder
niedrigschmelzende Polymermaterialien umfassen. Haftmittel können
zum Beispiel durch Rotationstiefdruck, Aufstreichen mit einem Messer
bzw. Spatel, Pulveraufbringung oder als ein Netz aufgebracht werden,
abhängig von der Form des Haftmittels.
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Bei
einer Ausführungsform sind die leitfähigen Lagen 101 und 108 durch
eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf der flexiblen,
elastischen dielektrischen Lage oder auf einem Film oder einer Tuchware
hergestellt, der/die an die flexible, elastische dielektrische Lage 102 angehaftet
wird. Dies ermöglicht, dass der Sensor dünner
ist und weniger wiegt, wichtig für tragbare Anwendungen.
Dies kann auch eine Montage vereinfachen oder Kosten verringern. Die
leitfähige Druckfarbe kann durch Siebdruck, Bürsten,
Aufbringen durch eine Walze, Sprühen, Eintauchen, Maskieren,
Vakuum-Plattieren, Aufdampfen oder irgendein anderes bekanntes Mittel
der Aufbringung von Druckfarbe aufgebracht werden. Die leitfähigen
Lagen 101 und 108 werden vorzugsweise durch ein
druckbares leitfähiges Material ausgebildet, vorzugsweise
eine Carbon-basierte Druckfarbe, eine Silber-basierte Druckfarbe
oder eine Kombination aus Carbon-basierten und Silber-basierten
Druckfarben. Die Druckfarbe kann irgendeine leitfähige Druckfarbe
sein, die typischerweise ausgebildet wird durch Mischen von Harzen
oder Haftmitteln mit pulverisierten leitfähigen Materialien,
wie beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Graphitpulver, Carbon-Black,
Nickel oder anderen Metallen oder Legierungen. Graphit in einem
Acryl-Bindemittel ist ein ausreichend elektrisch-leitfähiges
und kosteneffektives Material für den Siebdruck der leitfähigen
Lagen 101 und 108.
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Bei
einer anderen Ausführungsform werden die leitfähigen
Lagen 101 und 108 durch einen inhärent
leitfähigen Film oder eine Tuchware hergestellt. Einige
inhärent leitfähige Filme und Tuchwaren umfassen
zum Beispiel metallisierte Tuchwaren, Carbon-beladene Olefin-Filme,
mit leitfähigen Polymeren beschichtete Tuchwaren, aus flexiblen,
leitfähigen Garnen oder Silber-beschichteten Garnen aufgebaute
Tuchwaren. Vorzugsweise wird der Film oder die Tuchware an die flexible,
elastische dielektrische Lage vorzugsweise unter Verwendung eines Thermoplast-,
Duroplast-, druckempfindlichen bzw. Haft- oder UV-aushärtbaren
Haftmittels angehaftet. Die leitfähigen Lagen 101 und 108 können
aus den gleichen leitfähigen Materialien oder aus irgendeiner Kombination
der obigen Materialien hergestellt sein. Kombinationen von Materialien
können auch innerhalb der gleichen Lage verwendet werden,
wenn gewünscht.
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Wenn
die Widerstände der leitfähigen Lagen 101 und 108 nicht
verwendet werden, um die Position der Nutzerinteraktion mit dem
flexiblen kapazitiven Drucksensor 10 zu bestimmen, dann
kann der elektrische Widerstand der leitfähigen Lagen 101 und 108 so
niedrig wie ausführbar sein. Er ist typischerweise weniger
als 10.000 Ohm. Wenn der Widerstand verwendet wird, um eine Position
zu bestimmen, wird der Widerstand der leitfähigen Lagen 101 und 108 typischerweise viel
höher sein, obwohl er üblicherweise immer noch
weniger als 1 Megaohm ist.
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Um
die Änderung der Kapazität in den kapazitiven
Sensoren der 2, 3A, 3B, 4A, 4B, 5, 6 und 7 zu überwachen,
wird eine erste Spannung an die erste leitfähige Lage 101 angelegt,
und eine zweite Spannung wird an die zweite leitfähige
Lage 108 angelegt. In dem Fall, dass es mehr als einen
leitfähigen Bereich auf der ersten leitfähigen
Lage 101 und/oder auf der zweiten leitfähigen
Lage 108 gibt, würde dann jeder Bereich eine separate
Spannung erhalten (Bsp. eine dritte, vierte, fünfte usw.
Spannung). In dem Fall wo es mehr als einen Bereich gibt, werden
vorzugsweise die Spannungen aufeinanderfolgend an die Bereiche angelegt.
Bevorzugter werden die Spannungen aufeinanderfolgend angelegt und
sind im Wesentlichen gleich. Vorzugsweise sind die Spannungen, die
an die erste leitfähige Lage 101 angelegt werden,
zumindest 0,1 Volt unterschiedlich von den Spannungen, die an die
zweite leitfähige Lage 108 angelegt werden, bevorzugter
1 Volt.
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Es
kann zusätzliche Lagen auf dem kapazitiven Sensor geben,
wie beispielsweise eine zweite flexible, elastische dielektrische
Lage 106 und eine dritte leitfähige Lage 107,
wie in 1B gezeigt. Die zweite flexible,
elastische dielektrische Lage 106 ist auf der zweiten leitfähigen
Lage 108 auf der Seite gegenüberliegend der ersten
dielektrischen Lage 102. Es gibt eine dritte elektrisch
leitfähige Lage 107 angrenzend an die zweite dielektrische
Lage 106 auf der Seite gegenüberliegend der zweiten
leitfähigen Lage 108. Die zweite dielektrische
Lage 106 und die dritte leitfähige Lage 107 erzeugen
eine Kapazität zwischen der zweiten leitfähigen
Lage 108 und der dritten leitfähigen Lage 107,
welche die Gesamtkapazität, und daher die Empfindlichkeit
des Sensors 10, vergrößert. Jede der
leitfähigen Lagen kann ein oder mehr leitfähige
Elemente aufweisen.
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Die
Materialien, die für die zweite flexible, elastische, dielektrische
Lage 106 und die dritte elektrisch leitfähige
Lage 107 verwendet werden, können die gleichen
Materialien sein und die gleichen physikalischen Eigenschaften aufweisen wie
die dielektrische Lage und die leitfähigen Lagen, die zuvor
beschrieben wurden. Der Kapazitätsmesser 14 ist
mit jeder leitfähigen Lage 101, 108 und 107 verbunden. Eine
erste Spannung wird an die erste leitfähige Lage 101 angelegt,
eine zweite Spannung wird an die zweite leitfähige Lage 108 angelegt,
und eine dritte Spannung wird an die dritte leitfähige
Lage 107 angelegt, wenn eine existiert, wo die erste und
die zweite Spannung einen Unterschied von zumindest 0,1 Volt aufweisen,
und die zweite und die dritte Spannung einen Unterschied von zumindest
0,1 Volt aufweisen. Vorzugsweise sind die erste und die dritte Spannung gleich.
Vorzugsweise bilden die erste und die dritte Spannung die Referenzspannung
aus und werden während des Betriebs des kapazitiven Sensors 10 konstant
gehalten. Bei einer Ausführungsform wird die Referenzspannung
gleich Erde oder dem Boden der Sensorumgebung gehalten. Dies wird
dazu dienen, den kapazitiven Sensor 10 von äußerer
Störung und elektrischen Entladungen am besten zu isolieren.
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Die
erste und die dritte leitfähige Lage 101 und 107 bilden
jeweils einen separaten Kondensator mit der zweiten leitfähigen
Lage 108 aus. Vorzugsweise sind die erste und die dritte
Spannung an jeder der leitfähigen Lagen 101 und 107 gleich,
so dass die zwei separaten Kondensatoren elektrisch parallel sind.
Dies vereinfacht die Anforderungen des Messgeräts 14,
das die zwei separaten Kondensatoren als einen einzelnen Kondensator
mit größerer Kapazität behandeln kann.
Eine größere Kapazität wird auch typischerweise
die Empfindlichkeit des Sensors verbessern, was ein Vorteil des
Aufnehmens von leitfähigen Lagen auf beiden Seiten der
zweiten leitfähigen Lage 108 ist. Die erste elektrisch
leitfähige Lage 101 und die dritte elektrisch
leitfähige Lage 107 helfen auch den kapazitiven
Sensor 10 vor Störung abzuschirmen.
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Der
Sensor 10 kann weitere Hinzufügungen von einer
anderen flexiblen, elastischen dielektrischen Lage und einer anderen
leitfähigen Lage umfassen, um die Empfindlichkeit weiter
zu verbessern. Die Anzahl derartiger Lagen ist üblicherweise
durch die zusätzlichen Kosten, Komplexität, Dicke
oder Steifigkeit beschränkt, welche die zusätzlichen
Lagen auferlegen.
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In
dem Fall, dass der Sensor 10 mit einem zusammendrückbaren
Dielektrikum gebaut ist, variiert die Kapazität des Sensors
umgekehrt mit der Kompression der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage 102.
Eine auf den Detektor aufgebrachte Kraft wird die flexible, elastische
dielektrische Lage 102 zusammendrücken, womit
die Kapazität zwischen der ersten leitfähigen
Lage 101 und der zweiten leitfähigen Lage 108 erhöht
wird. Wenn die Kraft entfernt wird, oder lediglich vermindert wird,
vergrößert sich der Trennungsabstand zwischen
der ersten leitfähigen Lage 101 und der zweiten
leitfähigen Lage 108, und die Kapazität
des kapazitiven Sensors 10 nimmt ab. Der Bereich über
den das Dielektrikum zusammengedrückt wird, wird als der „aktive
Bereich" bezeichnet werden.
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Die
flexible, elastische dielektrische Lage 102 ist vorzugsweise
eine flexible, elastische Lage bzw. Schicht oder ein Film. „Flexibel",
wie auf diese Erfindung bezogen, ist so definiert, dass es biegsam bzw.
nachgiebig bedeutet und imstande zu sein, durch ihre dünnste
Abmessung im Wesentlichen gebogen zu werden und zu einer flachen
Ausgestaltung zurückzukehren. Vorzugsweise ist jedes Element oder
Lage in dem Sensor flexibel. „Elastisch" ist so definiert,
dass es ein Material bedeutet, das nach jeder von mehreren Komprimierungen,
entweder über einen Abschnitt des Materials oder seiner
Gesamtheit, zu seiner Anfangsdicke im Wesentlichen zurückkehrt.
Dielektrikum bedeutet in dieser Anmeldung ein Material, das nicht
zulässt, dass Strom fließt und ein elektrisches
Feld bei Vorhandensein von einer Potentialdifferenz unterstützt.
Ein „Film" oder „Schaum" ist so definiert, dass
er ein flexibles Material ist, das im Wesentlichen zweidimensional
in der Ausdehnung ist, das heißt mit einer Länge
in einer Dimension, die beachtlich kleiner als seine Längen
in den anderen zwei Dimensionen ist. Schäume umfassen Hohlräume
bzw. Fehlstellenräume in einem beachtlichen Anteil von
ihrem Inneren und sind somit üblicherweise höchst
kompressibel. Filme sind so definiert, dass sie wenige oder keine
Hohlräume aufweisen.
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Die
Elastizität der dielektrischen Lage 102 ist wichtig
für eine wiederholte Verwendung und Haltbarkeit. Die Flexibilität
ist wichtig, so dass der Sensor bei Anwendungen verwendet werden
kann, die Flexibilität erfordern, wie beispielsweise Anpassen
bzw. Anordnen um ein geformtes Armaturenbrett oder an Kleidung als
Teil einer intelligenten Tuchware. Vorzugsweise ist die flexible,
elastische dielektrische Lage imstande, zu einem Krümmungsradius
gebogen zu werden, der sich zwischen 20 Millimeter (mm) und 5 mm
bewegt, und bevorzugter zu einem Bereich von 10 mm bis 4 mm, und
noch bevorzugter zu einem Bereich von 5 mm bis 1 mm.
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In 2,
von hieran als ein „Gitter" bezeichnet, kann jede leitfähige
Lage mehrere leitfähige Elemente (auch aktive Elemente
oder Bereiche genannt) enthalten, die physikalisch und elektrisch
voneinander isoliert sind. Aktive Elemente 201 erster Richtung
sind leitfähige Elemente in einer leitfähigen Lage,
zum Beispiel der ersten leitfähigen Lage 101, und
aktive Elemente 202 zweiter Richtung sind leitfähige
Elemente in einer zweiten leitfähigen Lage, zum Beispiel
der zweiten leitfähigen Lage 108. Die aktiven Elemente 201 erster
Richtung und die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung
sind in unterschiedlichen Richtungen und kreuzen somit übereinander.
Die aktiven Elemente 201 und 202 auf jeder leitfähigen Lage
sind räumlich und elektrisch voneinander getrennt. Die
Bereiche außerhalb der aktiven Elemente 201 und 202 in
der Ebene der leitfähigen Lagen 101 und 108 sind
nicht leitend. Die Elemente in einer leitfähigen Lage überlappen
Elemente in der anderen leitfähigen Lage, aber sie sind
durch die flexible, elastische dielektrische Lage 102 (in 2 nicht
gezeigt) elektrisch getrennt. Ein Überlappungsbereich zwischen
den Elementen 201 und 202 wird zum Beispiel als
aktiver Bereich 210 gezeigt. Zusätzliche aktive Bereiche
können auftreten, wo immer ein Element 201 erster
Richtung ein Element 202 zweiter Richtung überlappt.
Der aktive Bereich 210 ist durch die Überlappung
des aktiven Elements 201a mit dem aktiven Element 202a definiert.
Jedes der Elemente 201 und 202 kann gerade oder
gekrümmt bzw. gebogen sein, und weist eine separate elektrische
Verbindung mit dem Messgerät 14 auf.
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In 2 sind
die aktiven Elemente 201 erster Richtung senkrecht zu den
aktiven Elementen 202 zweiter Richtung. Während
dies typisch ist, können in der Praxis die Elemente in
irgendeiner Ausgestaltung sein, so lange es Überlappungsbereiche
gibt und die Elemente in einer gegebenen Lage physikalisch und elektrisch
getrennt sind. Vorzugsweise kreuzen die aktiven Elemente 201 erster
Richtung und die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung
einander bei einem Winkel zwischen 5 Grad und 175 Grad. Bei einer Ausführungsform
kreuzen die Elemente erster Richtung die Elemente zweiter Richtung
bei 90 Grad.
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Das
Messgerät 14 weist separate Verbindungen mit jedem
Element 201 erster Richtung und jedem Element 202 zweiter
Richtung auf. Eine Spannung kann aufeinanderfolgend an jedes Element 201 erster
Richtung und jedes Element 202 zweiter Richtung angelegt
werden. Wenn eine Kraft an einem aktiven Bereich aufgebracht wird,
kann die Stelle des aktiven Bereiches bestimmt werden, durch den
Verbindungen mit dem Messgerät 14 mit einer Änderung der
Kapazität assoziiert werden. Zum Beispiel, wenn eine Kraft
auf den aktiven Bereich 210 aufgebracht wird, dann wird
sich die Kapazität zwischen dem Element 201a erster
Richtung und dem Element 202a zweiter Richtung verringern.
Diese Verringerung bzw. Abnahme kann durch das Messgerät 14 erfasst
werden. Die an den aktiven Bereich 210 aufgebrachte Kraft
wird die Kapazität zwischen irgendeinem anderen Paar der
aktiven Elemente 201 erster Richtung und der aktiven Elemente 202 zweiter
Richtung nicht beeinflussen; deshalb kann die Kraft mit einem spezifischen
aktiven Bereich 210 assoziiert werden.
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Vorzugsweise
bedecken die aktiven Elemente 201 erster Richtung zumindest
80% der leitfähigen Lage 101 und die aktiven Elemente 202 zweiter
Richtung bedecken zumindest 80% der anderen leitfähigen
Lage 108, um einen großen aktiven Gesamtbereich
vorzusehen. Typischerweise weisen die aktiven Elemente 201 erster
Richtung und die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung
ein Längen- und Seitenverhältnis von größer
als 5:1 auf, und vorzugsweise beträgt die physikalische
Trennung von Elementen, die sich auf der gleichen leitfähigen
Lage befinden, zumindest 1 Millimeter.
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Das
Gitter von 2 kann unter Verwendung von
drei leitfähigen Lagen hergestellt werden, wie in 1B gezeigt
und oben beschrieben. In diesem Fall enthält die erste
leitfähige Lage 101 die aktiven Elemente 201 erster
Richtung, die zumindest erste und zweite leitfähige Elemente
enthalten, und die dritte leitfähige Lage 107 enthält
die aktiven Elemente 202 zweiter Richtung, die zumindest
vierte und fünfte leitfähige Elemente enthalten.
Die zweite leitfähige Lage 108 ist ein kontinuierlicher
leitfähiger Bereich (das dritte leitfähige Element),
der sämtliche der aktiven Bereiche des Gitters überlappt.
Die Kapazität wird zwischen der ersten leitfähigen
Lage 101 und der zweiten leitfähigen Lage 108 gemessen,
sowie zwischen der dritten leitfähigen Lage 107 und
der zweiten leitfähigen Lage 108.
-
3A zeigt
eine Ausgestaltung, die als ein „Serpentinenstreifen" bezeichnet
wird. Bei dieser Ausführungsform ist die leitfähige
Lage als ein einzelnes aktives Element 230 ausgestaltet,
das sich über die leitfähige Lage windet. Bei
der Ausgestaltung von 3A ist das aktive Element 230 eine
Rückwärts- und Vorwärts-Windung von parallelen
Längen. Ein anderes Beispiel wird in 3B gezeigt,
bei welcher ein aktives Element 230 in der Form von einer
Spirale ist. In der Praxis ist irgendeine Ausgestaltung, die sämtliche
der gewünschten aktiven Bereiche bedeckt, akzeptabel. Unter
der Annahme, dass der Serpentinenstreifen auf der ersten leitfähigen
Lage 101 ist, kann die zweite leitfähige Lage 108 kontinuierlich sein
und sollte das aktive Element 230 zumindest an jedem gewünschten
aktiven Bereich überlappen. Die Rollen von jeder leitfähigen
Lage können umgekehrt werden. Das heißt, die erste
leitfähige Lage 101 kann kontinuierlich sein,
während die zweite leitfähige Lage 108 in
der Ausgestaltung der Leiter oder des Streifens ausgebildet sein
kann. Dies kann vorteilhaft zum Isolieren des Sensors 10 von äußerer
elektromagnetischer Störung sein.
-
Ein
Bestimmen der Stelle der aufgebrachten Kraft unter Verwendung eines
Serpentinenstreifens wird ausgeführt durch Bestimmen des
Widerstands von der aufgebrachten Kraft, zum Beispiel einer aufgebrachten
Kraft 235, zu einer Verbindung 231 durch das Messgerät 14.
Eine Verbindung 232 kann optional verwendet werden, um
eine Lokalisierung der aufgebrachten Kraft zu verbessern. In diesem
Fall nutzt man die Widerstände zum Beispiel von der Kraft 235 zu
der Verbindung 231 und von der Kraft 235 zu der
Verbindung 232, um den Punkt der Nutzerinteraktion zu bestimmen.
-
Eine
andere Ausführungsform, die in 4A gezeigt
und von hieran als eine „Leiter" bezeichnet wird, besteht
aus einer Reihe von sich nicht schneidenden aktiven Elementen 220,
die alle in der gleichen leitfähigen Lage, zum Beispiel
der ersten leitfähigen Lage 101, enthalten sind.
Die aktiven Elemente 220 werden als gleichförmig
und parallel gezeigt. Während diese Anordnung die einfachste
im Konzept ist, müssen die Linien jedoch nicht gleichförmig
oder parallel sein, aber sie müssen voneinander elektrisch isoliert
sein. Die andere leitfähige Lage, zum Beispiel die zweite
leitfähige Lage 108, sollte im Wesentlichen jedes
Element 220 überlappen, aber sie muss nicht separate
Bereiche enthalten und kann kontinuierlich sein. Das Messgerät 14 weist
separate Verbindungen zu jedem Element 220 und eine andere
zu der zweiten leitfähigen Lage 108 auf.
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Zu
Zwecken der Diskussion definieren wir die Stelle entlang der aktiven
Elemente 220 als die „parallele" Stelle, und die
Stelle orthogonal hierzu werden wir die „senkrechte" Stelle
nennen. Eine Spannung kann aufeinanderfolgend an jedes aktive Element 220 angelegt
werden, und die Kapazität zwischen jedem Element 220 und
der anderen leitfähigen Lage kann durch den Widerstandsmesser 14 überwacht
werden. Eine Aufbringung von einer Kraft auf eines der Elemente
(aktives Element 220a, mit einem „X" 225 an
dem Punkt der aufgebrachten Kraft auf das aktive Element markiert)
wird die Kapazität zwischen jenem Element und der zweiten
leitfähigen Lage 108 ändern. Die Änderung
der Kapazität kann mit dem bestimmten Element 220a assoziiert
werden, auf welches die Kraft aufgebracht wurde, wobei Informationen über
die senkrechte Stelle der aufgebrachten Kraft bereitgestellt werden,
welche die Änderung der Kapazität erzeugt hat.
Zum Beispiel wird eine Aufbringung der Kraft 225 die Kapazität
des ersten aktiven Elements 220a ändern, was durch
das Messgerät 14 durch die Verbindung 222 oder
die Verbindung 221 erfasst werden kann.
-
Um
die parallele Stelle der Interaktion 225 entlang des aktiven
Elements 220a zu bestimmen, können auch zweite
Verbindungen (an dem aktiven Element 220a als 221 gezeigt)
von jedem Element zu dem Messgerät 14 ausgeführt
werden. Unter Verwendung der Verbindungen 221 und 222,
kann der Widerstand verwendet werden, um den Abstand von der aufgebrachten
Kraft 225 zu jedem Ende des aktiven Elements 220a zu
bestimmen. Wenn die Länge des aktiven Elements 220a bekannt
ist, sieht dies zwei Messungen der parallelen Stelle der aufgebrachten
Kraft vor, was eine Unsicherheit bei dem Wert verringert. Kombiniert
mit der senkrechten Stelle, lokalisiert dies die aufgebrachte Kraft
definitiv in der Ebene des Sensors 10.
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Bei
einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine verschachtelte
Serpentinenstreifenausgestaltung verwendet, wie in 4B gezeigt. Bei
dieser Ausgestaltung enthält die leitfähige Lage ein
erstes aktives Serpentinenelement 230 und ein zweites aktives
Serpentinenelement 236. Separate Verbindungen zu dem Messgerät 14 werden
mit dem ersten aktiven Serpentinenelement 230 an den Verbindungen 231 und 232 durchgeführt,
und mit dem zweiten aktiven Serpentinenelement 236 an Verbindungen 237 und 238.
Daher kann der verschachtelte Serpentinenstreifen weniger Verbindungen
aufweisen als eine äquivalente Leiter, aber eine größere Empfindlichkeit
als ein äquivalenter einzelner Serpentinenstreifen. Obwohl 4B lediglich
zwei verschachtelte aktive Serpentinenelemente zeigt, kann es so
viele wie gewünscht geben. Jedes verschachtelte aktive
Serpentinenelement kann irgendeine Form aufweisen und muss nicht
die gleiche Form aufweisen wie die anderen verschachtelten aktiven
Serpentinenelemente, so lange wie sie alle physikalisch und elektrisch
getrennt voneinander sind.
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Die
Leiter von 4A, der Serpentinenstreifen
von 3A und der verschachtelte Serpentinenstreifen
von 4B können unter Verwendung von drei leitfähigen
Lagen ausgeführt werden, wie in 1B gezeigt
und oben beschrieben. In diesem Fall enthalten die erste leitfähige
Lage 101 und die dritte leitfähige Lage 107 die
aktiven leitfähigen Elemente. Die zweite leitfähige
Lage 108 ist ein kontinuierlicher leitfähiger
Bereich, der sämtliche der aktiven Bereiche von den aktiven
Elementen überlappt. Die Kapazität wird zwischen
der ersten leitfähigen Lage 101 und der zweiten
leitfähigen Lage 108 gemessen, sowie zwischen
der dritten leitfähigen Lage 107 und der zweiten
leitfähigen Lage 108. Die aktiven leitfähigen
Elemente in der leitfähigen Lage 101 können identisch
und in Lagegenauigkeit mit den aktiven leitfähigen Elementen
in der leitfähigen Lage 107 sein, das heißt,
sie können sich vollständig überlappen, wobei
in diesem Fall der drei-lagige Aufbau die Empfindlichkeit des Sensors 10 erhöht,
wie oben beschrieben.
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Alternativ
kann diese Anordnung umgekehrt sein. Die erste leitfähige
Lage 101 und die dritte leitfähige Lage 107 können
kontinuierliche leitfähige Bereiche sein, die sämtliche
der aktiven leitfähigen Elemente überlappen, welche
in der zweiten leitfähigen Lage 108 enthalten
sind.
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Ein
anderes Verfahren zur Bestimmung der Stelle der aufgebrachten Kraft
ist mittels Triangulation. Ein Sensor, der Triangulation verwendet,
wird in 5 gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung
umfassen beide, die erste und die zweite leitfähige Lage 101 und 108 große
leitfähige Bereiche, die einander überlappen.
Zumindest einer der Bögen weist zumindest drei weit beabstandete
Verbindungen 240 zu dem Messgerät 14 auf. 5 zeigt
ein besonderes Beispiel mit vier Verbindungen 240 (als 240a, 240b, 240c und 240d gekennzeichnet).
Separate Messungen werden unter Verwendung von jeder der Verbindungen 240(a–d)
durchgeführt. Bei jeder Messung wird das Messgerät 14 verwendet,
um den Widerstand zwischen der Verbindung und der aufgebrachten
Kraft 245 zu bestimmen. Die Widerstände werden dann
verglichen, was eine Bestimmung der Stelle der aufgebrachten Kraft
zulässt. Vorzugsweise bestimmt der Kapazitätsmesser
eine Position in zumindest zwei Richtungen, wobei die Stelle der
aufgebrachten Kraft in der Ebene des Sensors vollständig
bestimmt wird.
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Es
ist anzumerken, dass die Empfindlichkeit des Sensors 10,
die mit der relativen Änderung der Kapazität verknüpft
ist, zunehmen wird, wenn das Verhältnis des aktiven Bereiches
zu dem leitfähigen Gesamtbereich zunimmt. Der leitfähige
Bereich ist als der Bereich der ersten leitfähigen Lage 101 oder der
zweiten leitfähigen Lage 108 definiert, an welchem
eine Überwachungsspannung angelegt wurde. Die Änderung
der, Kapazität kann durch das Messgerät 14 überwacht
werden, das nachfolgend eine gewünschte Reaktion initiieren
kann, wie beispielsweise die Aktivierung von einem elektrischen
Gerät, wie beispielsweise ein Radio.
-
6 zeigt
ein Verfahren zur weiteren Vergrößerung der Empfindlichkeit
des Serpentinenstreifens durch Erhöhen des Prozentsatzes
des leitfähigen Gesamtbereiches, welcher der aktive Bereich
ist. Dies wird durch Variieren der Breite des leitfähigen Elements über
die Länge des Elements erzielt. Die aktiven Bereiche 255 – wo
es Bereiche der Nutzerinteraktion gibt – können
als größere leitfähige Bereiche ausgeführt
werden, die durch dünne leitfähige Streifen verbunden
sind, wie beispielsweise ein Verbindungsstreifen 256. Gemusterte
leitfähige Beschichtungen können besonders effektiv
zum Erzeugen derartiger leitfähiger Lagen sein. Es ist
anzumerken, dass die aktiven Bereiche nicht gleichmäßig
entlang dem Serpentinenstreifen 250 beabstandet sein müssen,
weder müssen sie eine einheitliche Größe aufweisen.
-
Verbindungen
zu dem Messgerät 14 werden an Enden 251 und 252 ausgeführt.
Obwohl der Serpentinenstreifen 250 als eine Windung von
parallelen Verbindungsstreifen 256 gezeigt wird, sollte
es offensichtlich sein, dass irgendeine Ausgestaltung, die sämtliche
der gewünschten aktiven Bereiche bedeckt, akzeptabel ist.
Dieses Prinzip kann auch bei der Leiterausgestaltung genutzt werden.
Ein Beispiel von diesem wird in 7 gezeigt.
Der Nutzerinteraktionsbereich 255 der Leiter 260 ist
mit Enden 261 und 262 über einen Verbindungsstreifen 266 verbunden.
-
Die
Verwendung eines Serpentinenstreifens gegenüber einer Leiter
ist ein Kompromiss zwischen Einfachheit und Empfindlichkeit. Der
Serpentinenstreifen ist einfacher, mit lediglich zwei Verbindungen mit
dem Messgerät 14 und wobei er lediglich eine oder
zwei Messungen benötigt, um eine aufgebrachte Kraft zu
erfassen und zu lokalisieren. Die Leiter wird eine größere
Empfindlichkeit über einen ähnlichen Bereich des
Sensors 10 vorsehen. Durch Teilen der leitfähigen
Lage in mehrere leitfähige Elemente wie bei einer Leiter,
ist der Bereich von einem beliebigen leitfähigen Element
verringert. Dies erhöht den Anteil des leitfähigen
Elements, der durch die aufgebrachte Kraft bedeckt wird, wobei die
Empfindlichkeit wie oben beschrieben vergrößert
wird.
-
An
dem Rand der flexiblen, elastischen dielektrischen Lage 102 wird
ein Durchdringungsverbinder (nicht gezeigt) verwendet, um einen
elektrischen Kontakt mit den leitfähigen Lagen 101 und 108 vorzunehmen.
Das Prinzip des Betriebs von Durchdringungsverbindern ist in der
Elektronik bekannt. Wenn eine elektrische Verbindung mit elektrischen
Leitern vorgenommen wird, die mit einer Isolierung beschichtet sind,
werden Durchdringungsverbinder verwendet, um sich durch die Isolierung
zu der Leiterinnenseite zu „beißen". Durchdringungsverbinder
werden Zähne aufweisen, die auf die leitfähigen
Lagen 101 und 108 aufgebracht werden, und potentiell
auf die dritte leitfähige Lage 107, wenn eine
existiert. Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit einer Vielzahl von leitfähigen Bereichen
in der/den leitfähigen Lage/n 101, 108 und/oder 107, können
separate Zähne in dem Verbinder jeden der separaten Bereiche
berühren, so dass das Messgerät 14 verwendet
werden kann, um Änderungen bei Kapazitäten wahrzunehmen,
wenn Druck auf jeden Bereich oder mehrere Bereiche aufgebracht wird.
Die Verwendung eines Durchdringungsverbinders vereinfacht die Herstellung
in einem großen Maßstab.
-
Der
Durchdringungsverbinder lässt eine Verbindung des vorliegenden
flexiblen kapazitiven Sensors 10 mit dem Kapazitätsmesser 14 zu, über
einen Verbinder zwischen dem Messgerät 14 und
den leitfähigen Lagen 101, 107 und 108.
Der Kapazitätsmesser 14 misst die Spannung über
die flexible, elastische dielektrische Lage 102 und vergleicht
jene Spannung mit einer Referenzspannung. Wenn sich die Kapazität über
die dielektrische Lage 102 ändert, wie beispielsweise
wenn ein Druck auf den kapazitiven Sensor 10 aufgebracht
wird, ändert sich auch die Spannung über die dielektrische
Lage 102. Das Spannungsausgangssignal basiert auf dem Änderungsunterschied
zwischen der Referenzspannung und der Nennspannung über
die flexible, elastische dielektrische Lage 102. Wenn die
auf den kapazitiven Sensor 10 aufgebrachte Kraft verringert
wird, und sich die dielektrische Lage 102 in ihre Ausgangsdimensionen
ausdehnt, nimmt die Kapazität ab und der Prozess wird umgekehrt.
-
Die
Kapazität der Detektoren bei dieser Anordnung kann durch
eine Vielfalt von elektrischen Verfahren gemessen werden, von denen
zwei hier diskutiert werden. Die elektrischen Messungen machen Gebrauch
von der Tatsache, dass sich der Widerstand der leitfähigen
Lagen nicht ändert, lediglich die Kapazität der
einzelnen Detektoren. Somit ändert sich das messbare RC-Zeitkonstantencharakteristikum
von jedem Ereignis lediglich aufgrund von Änderungen der
Kapazität des Detektors. Ein Verfahren ist ein Spannungsverschiebungsverfahren;
das andere ist eine Phasenverschiebung beim Frequenzgang.
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Bei
dem ersten Verfahren, welches wir als das Spannungsverschiebungsverfahren
bezeichnen werden, verwenden wir einen Reihenwiderstand, der mit
der Spur verbunden ist. Der Kapazitätsmesser 14 sucht
nach irgendeinem der folgenden: (1) die Zeit, um eine festgelegte
Abnahme der Spannung von der Spur und dem Detektor während
einer Entladung des Sensors 10 zu erhalten; (2) die Abnahme
der Spannung von der Spur und dem Detektor während eines festgelegten
Zeitraums von dem Beginn der Entladung des Sensors 10;
(3) der Zeitraum, um eine festgelegte Zunahme der Spannung von der
Spur und dem Detektor während des Ladens des Sensors 10 zu
erhalten; oder (4) die Zunahme der Spannung von der Spur und dem
Detektor während eines festgelegten Zeitraums von dem Beginn
der Entladung des Sensors 10. Irgendeine dieser vier messbaren
Größen lässt eine Bestimmung der RC-Zeitkonstante
zu, und daher eine Messung von der Änderung der Kapazität
des Detektors.
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Bei
dem Phasenverschiebungsverfahren wird ein Zeitvariierendes Spannungssignal
an die aktive Lage angelegt. Ein Widerstand zur Erde ist mit der
Referenzlage verbunden. Der Widerstand wird verwendet, um die Phasenverschiebung
zwischen dem angelegten Signal und dem nacheilenden Signal durch
die aktive Lage zu messen. Da die Nacheilung durch das Vorhandensein
von Kapazität in der aktiven Lage verursacht wird, kann
eine Änderung der Nacheilung verwendet werden, um die Änderung der
Kapazität zu bestimmen. Die Amplituden des originalen und
nacheilenden Signals können auch verglichen werden, um
mehr Informationen über den Zustand des Systems zu liefern.
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Wie
in der Technik bekannt ist, umfassen gewöhnliche Formen
des Spannungssignals Impulse, Sinuswellen und Rechteckwellen. Häufig
werden alternierende Spannungssignale eine größere
Frequenz als 10 kHz aufweisen.
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Verfahren,
um die Stelle einer aufgebrachten Kraft zu bestimmen, können
abhängen vom Bestimmen des Widerstands der leitfähigen
Lage zwischen der aufgebrachten Kraft und der Verbindung zwischen
dem Messgerät 14 und der leitfähigen
Lage. Wenn eine Spannung V0 über
einen Kondensator (in diesem Fall die zwei leitfähigen
Lagen 101 und 108) angelegt wird, dann ändert
sich die Spannung über den Kondensator langsam. Die Rate
der Änderung wird durch die Zeitkonstante RC bestimmt,
wobei C die Kapazität ist und R der Widerstand des Schaltkreises
ist. Insbesondere wird sich die Spannung um einen Faktor von e jede
RC-Sekunden ändern, wo e die Eulersche Konstante ist, ungefähr
2,718.
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Wenn
die leitfähige Lage einen endlichen Widerstand aufweist,
wird der Schaltkreiswiderstand R den Widerstand von jenem Abschnitt
der leitfähigen Lage zwischen der aufgebrachten Kraft und
der Verbindung zu dem Messgerät 14 umfassen. Betrachten Sie
zum Beispiel 8A, eine schematische elektronische
Darstellung von einem Sensor. Leitfähige Lagen 401 und 408 werden
durch eine flexible, elastische dielektrische Lage (nicht gezeigt)
getrennt. Eine aufgebrachte Kraft 410 ändert die
Kapazität C an dem Punkt der Aufbringung. Diese Änderung
wird durch das Messgerät 14 durch Verbindungen 411, 412, 413 und 414 erfasst.
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An
der leitfähigen Lage 401 ist der Widerstand zwischen
der aufgebrachten Kraft 410 und der Verbindung 411 R1L. Ähnlich ist der Widerstand zwischen
der aufgebrachten Kraft 410 und der Verbindung 412 R1R. An der leitfähigen Lage 408 ist
der Widerstand zwischen der aufgebrachten Kraft 410 und der
Verbindung 413 R2L, und der Widerstand
zwischen der aufgebrachten Kraft 410 und der Verbindung 414 ist
R2R. Die Linien von der Verbindung zu dem
Messgerät 14 stellen Drähte mit vernachlässigbarem
Widerstand dar. Abhängig davon, welche Verbindungen genutzt
werden, kann der vollständige Schaltkreis einen von vier
unterschiedlichen Gesamtschaltkreiswiderständen aufweisen:
R1 = (R1L + R2L), R2 = (R1L + R2R), R3 = (R1R + R2L) oder R4 = (R1R + R2L). Dies ist
ein System aus vier Gleichungen für die vier unbekannten
Widerstände R1L, R1R,
R2L und R2R, welche
somit eindeutig bestimmt werden können. Unter Annahme von
einer bekannten Beziehung zwischen dem Widerstand entlang einer
leitfähigen Lage und dem Abstand entlang jener Lage, das
heißt zwischen einem bestimmten Widerstand und dem Abstand
von aufgebrachter Kraft 410 zu dem Verbindungspunkt, sieht
jeder Widerstand ein Maß der Stelle von aufgebrachter Kraft 410 vor.
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Es
ist anzumerken, dass jede leitfähige Lage zwei Messungen
der Stelle der aufgebrachten Kraft 410 vorsieht. Somit
ist lediglich eine leitfähige Lage mit endlichem Widerstand
notwendig, um dieses Verfahren zu verwenden, um die aufgebrachte
Kraft 410 zu lokalisieren, und die zweite Lage kann einen
sehr geringen (vernachlässigbaren) Widerstand aufweisen.
Ein Versehen von beiden Lagen mit endlichem Widerstand erhöht
die Überbestimmung der Stelle. Ein Verhalten des Sensors
in 8A kann besser verstanden werden durch Begutachten
des elektrischen Schemas in 8B, das
einen vereinfachten Sensor zeigt, durch Annehmen, dass die leitfähige Lage 401 höchst
leitfähig ist und einen vernachlässigbaren Widerstand
zu dem Schaltkreis beiträgt. Auch wurde das Messgerät 14 erweitert,
um seinen Zustand zu zeigen, wenn der Widerstand R2L gemessen
wird. Insbesondere ist die Verbindung 414 an Erde festgelegt,
während die Spannung V0 an die Verbindung 411 angelegt
wird.
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Wie
es typisch ist, weist das Messgerät eine hohe Eingangsimpedanz
auf. Das heißt, RM ist viel größer
als die anderen Widerstände in dem Schaltkreis. In dem
Fall zeigt eine Standard-Schaltkreisanalyse, dass die Spannung V
an der Verbindung 413 mit der angelegten Spannung V0 verknüpft ist, durch V = V0/(1
+ 1/(w·C·R2R 2)),
wo w die Frequenz der angelegten Spannung V0 ist.
Idealerweise, damit der Sensor 10 eine maximale Empfindlichkeit
für Änderungen der Stelle der aufgebrachten Kraft 410 aufweist,
wird die Spannung V eine maximale Empfindlichkeit für den
Wert von R2R aufweisen, welcher die einzige
Größe in der Gleichung für V ist, der
von der Stelle der aufgebrachten Kraft 410 abhängt.
Eine weitere Analyse dieser Gleichung zeigt, dass für kleine
w, V nicht empfindlich für R2R für
kleine Werte von R2R ist, das heißt
auf der rechten Seite der leitfähigen Lage 408. Ähnlich,
für hohe Frequenzen w und kleine Werte von R2L +
R2R, ist V nicht empfindlich für
R2R mit Ausnahme von kleinen und großen
Werten von R2R, das heißt eine
Empfindlichkeit ist niedrig in der Mitte der leitfähigen
Lage 408. Deshalb, um eine gute Empfindlichkeit überall
an der leitfähigen Lage 408 sicherzustellen, wird
bevorzugt, eine Spannung mit gemäßigt großen
Frequenzen anzulegen und die leitfähige Lage 408 aus
Materialien mit endlichem Widerstand zu bauen.
-
Obwohl
diese Analyse für den vereinfachten Fall von lediglich
einer leitfähigen Lage mit endlichem Widerstand durchgeführt
wurde, gelten die Schlussfolgerungen auch für den allgemeineren
Fall, der in 8A gezeigt wird, wo beide leitfähige
Lagen einen endlichen Widerstand aufweisen. Sie ist auch gültig, wenn
zusätzliche leitfähige und flexible, elastische
dielektrische Lagen verwendet werden, wie in 1B gezeigt.
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Leitfähige
Lagen mit endlichem Widerstand werden typischerweise einen Widerstand
zwischen Verbindungspunkten von 10–1.000.000 Ohm aufweisen,
vorzugsweise 100–100.000 Ohm, bevorzugter 1.000–10.000
Ohm. Das Verfahren der Nutzung des Widerstands, um eine Position
zu bestimmen, kann in Verbindung mit der Leiter, dem Serpentinenstreifen,
Triangulation oder anderen Ausgestaltungen praktiziert werden. In
dem Fall wo der leitfähige Bereich ein Streifen ist, wie
bei der Leiter oder dem Serpentinenstreifen, können Widerstände
nach rechts und links weiter differenziert werden durch Ändern der
Breite des Streifens auf eine bekannte Art und Weise, wie zum Beispiel
in 3B gezeigt.
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Die
digitale Information, die Signalabfallzeit-Zeitkonstante oder die
Phasenverschiebung stellt die kontinuierliche Zeitvariation der
Widerstands-/Kapazitätseigenschaften des Netzwerks dar, und
als solche die Zustände des Sensors 10. Um ein besseres
Signal-Geräusch-Verhältnis zu erzielen, können
Mittelwertbildung und Filtern auf den kontinuierlichen Datenfluss
angewandt werden.
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Das
Zeitkonstantenverfahren und die Phasenverschiebungen sind anfällig
für elektromagnetische Störung sowie Streukapazität.
Somit kann der Geräuschgehalt der Signale die wahren Zustände verschleiern.
Eine Stichprobenprüfung wird in Intervallen durchgeführt,
die durch festlegbare Unterbrechungsbefehle im Microcontroller definiert
sind. Durch Stichprobenprüfung, die durch das Nyquist-Kriterium
diktiert wird, das die Stichprobenprüfungstheorie und digitale
Rekonstruktion von Hochfrequenz-Ereignissen regelt, können
Ereignisse, die bei weniger als der Hälfte der Stichprobenprüfungsfrequenz
stattfinden, erfolgreich erfasst werden. Zu dem Zeitpunkt der individuellen
Stichprobenprüfung werden mehrere Stichproben in der Größenordnung von
wenigen Mikrosekunden jeweils zusammen gemittelt, um den Fehler
zu verringern, der durch den Analog/Digital-Wandler herbeigeführt
wird, sowie kleine elektromagnetische Effekte. Eine Stichprobenprüfung
kann in regelmäßigen Zeitintervallen auftreten,
oder es kann vorteilhaft sein, Stichprobenprüfungen in
zufälligen Intervallen durchzuführen, so dass das
Geräuschspektrum nicht gut mit dem Stichprobenprüfungsintervall
korreliert ist.
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Die
abgetasteten Werte werden dann entweder in FIR-Filter oder IIR-Filter
durchgeleitet. Diese Filter verringern weiter die Effekte von Geräuschen und
Störungen auf die abgetasteten Werte von Quellen, wie beispielsweise
Starkstromleitungen. Auf diese Art kann eine bessere Abschätzung
der Kapazität des Detektors durch eine bessere Abschätzung
der Phasenverschiebung oder Zeitkonstante bestimmt werden.
-
Eine
Kaskadierung unterschiedlicher Filter lässt unterschiedliche
Interpretationen der Daten zu. Zum Beispiel wird eine Gruppe von
Filtern verwendet, um langfristige Änderungen an dem System
(z. B. gradueller Verlust von Elastizität in der flexiblen, elastischen
dielektrischen Lage 102) zu entfernen oder zu ignorieren,
womit eine stabile Grundlinie vorgesehen wird, während
andere Filter kurzfristige Änderungen (z. B. Drücken
des Sensors 10) isolieren. Die Auswahl von unterschiedlichen
Filtern ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber einer
einfachen Stichprobenprüfung und einem Vergleich mit einem
Schwellenwert.
-
Der
kapazitive Sensor 14 erfordert typischerweise Kalibrierung.
Kalibrierung wird benötigt, weil die Grundlinien-Kapazität
dazu neigt, über die Zeit abzuweichen bzw. abzudriften,
aufgrund von Umweltänderungen, Materialänderungen
und äußeren elektromagnetischen Feldern. Insbesondere
bei dielektrischen Materialien, die aus Schaum hergestellt sind,
ungeachtet der Verwendung von Schäumen mit minimiertem
Kriechen und Hysterese, wird sich die Kapazität trotzdem
mit der Zeit ändern. Ein Sensor, der nachkalibriert werden
kann, wird immer robuster und empfindlicher sein als einer, der
es nicht kann.
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Es
gibt drei Arten den Sensor 10 zu kalibrieren. Die erste
Art ist, Kalibrierungseinstellungen zum Zeitpunkt der Herstellung
zu programmieren. Ein zweites Verfahren ist, den Sensor 10 jedes
Mal zu kalibrieren, wenn das System, von dem er ein Teil ist, sich
selbst initialisiert, das heißt beim Hochfahren, und es
verringert effektiv Fehler von einigen Variationen bei großen
Zeitmaßstäben. Bei dem dritten Verfahren wird
der Sensor 10 kontinuierlich für sich ändernde
Bedingungen kalibriert, durch Herausfiltern von elektrischem Fremdgeräusch
sowie außer Acht lassen des versehentlichen Berührens
oder anderen Kontakts. Es gibt kommerziell erhältliche
Elektronikmodule, die ausgestaltet sind, um die Kapazität
wahrzunehmen und die eine kontinuierliche Selbstkalibrierung, Geräuschfilterung
und Nachkalibrierung einschließen.
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Der
Sensor 10 kann zusätzliche Isolierlage(n) 104 umfassen,
auch als Abdecklagen bezeichnet. Diese Lagen tragen nicht zu den
elektrischen Eigenschaften des Sensors 10 auf irgendeine
signifikante Art bei. Funktionen der äußeren Lage(n)
können visuelle oder taktile Ästhetik, Schutz
und Wirken als eine Nutzerschnittstelle umfassen. Es kann keine, eine
oder mehrere derartiger Lagen geben. Mehrere Lagen können
aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, um unterschiedliche
Funktionen vorzusehen, wie unten beschrieben. Vorzugsweise ist die Abdecklage
eine Tuchware. Die Tuchware kann irgendeinen bekannten Aufbau aufweisen,
einschließlich, aber nicht beschränkt auf, gewirkt,
gewebt oder nichtgewebt.
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Eine
elektrisch isolierende äußere Lage oder Lagen 104 können
beschichtet, laminiert, genäht oder anderweitig auf die äußeren
Oberflächen des Sensors aufgebracht sein. Diese Lagen können
aus irgendwelchen Materialien und auf irgendeine Art und Weise aufgebaut
sein, derart dass die Gesamtflexibilität des Sensors akzeptabel
bleibt. Üblicherweise werden diese Materialien das dünne
Profil beibehalten, das typisch für die kapazitiven Sensoren der
Erfindung ist. Mögliche Materialien für die Abdecklage(n) 104 umfassen
Textilien, Leder oder andere Felle, Filme oder Beschichtungen. Es
kann äußere Lagen 104 auf irgendeiner
oder beiden der Oberseite und Unterseite des Sensors geben. Die Isolierlagen
können jede ein Verbund aus mehreren Materialien und Lagen
sein, und die oberen und unteren äußeren Lagen
müssen nicht die gleiche Aufmachung aufweisen.
-
Dekorative
Graphiken oder Informationen, z. B. Informationen über,
oder Anweisungen für, den kapazitiven Sensor 10 oder
die Anzeige oder ein anderes Gerät, mit dem der kapazitive
Sensor 10 angewandt oder verbunden wird, können
auf eine äußerste äußere Lage 104 auf
den Sensor gedruckt werden. Typischerweise wird die obere Oberfläche
des kapazitiven Sensors 10, die Oberfläche, die
dem Nutzer präsentiert wird, Graphiken umfassen, um den
Ort bzw. die Stelle und Funktion von jedem der Detektoren anzugeben.
Das Material kann ausgewählt werden, um beides vorzusehen,
dekorative und funktionelle Aspekte. Zusammen mit der Ästhetik,
können die äußeren Isolierlage(n) 104 Schutzfunktionen
vorsehen, wie beispielsweise Widerstand gegen Abrieb oder Einstiche,
Fleckenabstoßung, Schutz gegen Verschüttetes und
Flüssigkeiten, Widerstand gegen ultravioletten Abbau usw.
Die untere Lage des kapazitiven Sensors 10 kann mit ähnlichen
Materialien hergestellt werden, um Funktionen ähnlich der
oberen Lage zu erfüllen, außer dass dekorative
oder informative Graphiken typischerweise nicht enthalten sind.
-
Es
ist beabsichtigt, dass der Bereich der vorliegenden Erfindung sämtliche
Modifikationen umfasst, die ihre hauptsächlichen Designmerkmale
aufgenommen haben, und dass der Bereich und Beschränkungen
der vorliegenden Erfindung durch den Bereich der angehängten
Ansprüche und ihrer Äquivalente zu bestimmen sind.
Es sollte deshalb verstanden werden, dass die hierin beschriebenen
erfinderischen Konzepte austauschbar sind und/oder sie zusammen
in noch anderen Permutationen der vorliegenden Erfindung genutzt
werden können, und dass andere Modifikationen und Substitutionen
für Fachleute aus der vorangehenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen offensichtlich sein werden, ohne von
dem Denken oder Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft einen flexiblen, elastischen kapazitiven Sensor,
der zur Massenherstellung geeignet ist. Der Sensor umfasst ein Dielektrikum,
eine elektrisch leitfähige Lage auf der ersten Seite der
dielektrischen Lage, eine elektrisch leitfähige Lage auf
einer zweiten Seite der dielektrischen Lage, und einen Kapazitätsmesser,
der mit den zwei leitfähigen Lagen elektrisch verbunden
ist, um Änderungen der Kapazität bei Aufbringung
von einer Kraft auf den Detektor zu erfassen. Die leitfähigen
Lagen sind ausgestaltet, um die Position der aufgebrachten Kraft
zu bestimmen. Der Sensor kann abgeschirmt werden, um die Effekte
von äußeren Störungen zu verringern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4703757 [0007]
- - US 5917180 [0007]
- - US 6210771 [0007]