DE102004026307B4 - Taktiles Instrument - Google Patents

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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/205—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using distributed sensing elements
    • G—PHYSICS
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
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    • G01L5/226—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping
    • G01L5/228—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping using tactile array force sensors

Abstract

Vorrichtung zur berührenden Messung und örtlichen Zuordnung von mechanischen und geometrischen Eigenschaften von Messobjekten mit zumindest zwei gleichartigen Sensorelementen (3), die jeweils eine erste Schicht (5), eine zweite Schicht (6) und eine dritte Schicht (9) aufweisen, die übereinander so angeordnet sind, dass die erste und dritte Schicht (5, 9) durch die zweite Schicht (6) getrennt sind, die eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die erste und dritte Schicht (5, 9) und die mit der ersten und dritten Schicht (5, 9) eine direkte elektrisch leitende, mechanische Verbindung eingeht, wobei sich zwischen der ersten und zweiten Schicht (5, 6) und/oder zwischen der zweiten und dritten Schicht (6, 9) ein Hohlraum (7) befindet, sodass sich unter Krafteinwirkung auf die Sensorfläche (2) die Größe der Kontaktfläche zwischen den Schichten ändert und wobei die erste und dritte Schicht jeweils mit einer äußeren vierten und fünften Isolationsschicht abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den äußeren vierten und fünften Isolationsschichten eine sechste Isolationsschicht angeordnet ist, die innerhalb des Bereichs der Sensorelemente Durchbrüche aufweist, in welche die Sensorelemente getrennt voneinander eingesetzt sind.

Description

  • Die Fähigkeit des Menschen, Gegenstände zu greifen und gleichzeitig zu fühlen, also mechanische und geometrische Parameter des gegriffenen Gegenstandes zu bestimmen, machen ihn für viele Aufgaben, z. B. in der Produktion oder der Chirurgie, unersetzlich. Das Übersetzen dieser Fähigkeit in ein technologisches System scheiterte bislang oft an einem Mangel an speziell angepassten Sensoren. Gegenstand dieser Erfindung ist eine sensorische Vorrichtung, die die Anforderungen an ein taktiles Sensor-System erfüllt und gleichzeitig eine günstige und einfach herzustellende Alternative zu anderen Sensorprinzipien darstellt.
  • 1 Vorrichtung (1)
  • 2 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 3 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 4 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 5 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 6 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 7 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 8 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 9 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 10 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 11 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 12 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 13 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 14 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 15 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 16 Vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung (1)
  • 17 Vorrichtung (1) mit kreisrunden Sensorelementen (3) in orthogonaler Anordnung
  • 18 Vorrichtung (1) mit elliptischen Sensorelementen (3) in orthogonaler Anordnung
  • 19 Vorrichtung (1) mit dreieckigen Sensorelementen (3) angeordnet in mindestens einer Reihe
  • 20 Vorrichtung (1) mit quadratischen Sensorelementen (3) in orthogonaler Anordnung
  • 21 Vorrichtung (1) mit rechteckigen Sensorelementen (3) in orthogonaler Anordnung
  • 22 Vorrichtung (1) mit sechseckigen Sensorelementen (3) in hexagonaler Anordnung
  • 23 Vorrichtung (1) mit achteckigen Sensorelementen (3) in orthogonaler Anordnung
  • 24 Vorrichtung (1) mit rautenartigen Sensorelementen (3) angeordnet in mindestens einer Reihe
  • 25 Vorrichtung (1) mit unregelmäßig geformten Sensorelementen (3) angeordnet in mindestens einer Reihe
  • 26 Vorrichtung (1) mit kreisrunden Sensorelementen (3) unterschiedlicher Größe konzentrisch angeordnet
  • 27 Vorrichtung (1) mit kreisrunden Sensorelementen (3) in spiralförmiger Anordnung
  • 28 Vorrichtung (1) mit kreisrunden Sensorelementen (3) in unregelmäßiger Anordnung
  • Die Vorrichtung (1), die Gegenstand dieser Erfindung ist, besteht aus einer Sensorfläche (2), in die mehrere einzelne Sensorelemente (3) integriert sind, siehe 1.
  • Jedes dieser Sensorelemente (3) besteht aus mindestens drei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Die erste konduktive Schicht (5) und die dritte konduktive Schicht (9) weisen im Vergleich zur zweiten resistiven Schicht (6) einen deutlich geringeren ohmschen Widerstand auf. Die erste konduktive Schicht (5) und die dritte konduktive Schicht (9) stehen in direktem mechanischen Kontakt mit der zweiten resistiven Schicht (6). Die erste konduktive Schicht (5) und die dritte konduktive Schicht (9) weisen dagegen keine direkte mechanische Verbindung untereinander auf. Bei Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der dritten konduktiven Schicht (9) muss der elektrische Strom somit durch die zweite resistive Schicht (6) fließen. Zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) oder zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) oder sowohl zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) als auch zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) befindet sich mindestens ein Hohlraum (7).
  • Unter äußerer Krafteinwirkung auf die Sensorfläche (2) mit einer Kraftkomponente senkrecht zur Ebene der Lage mindestens einer der Schichten (5), (6) oder (9) ändert sich die Größe der Kontaktfläche zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) oder zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) oder sowohl zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) als auch zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9). Durch die Änderung der Größe der Kontaktfläche wird gleichzeitig auch die Größe des Pfades verändert, der einem elektrischen Stromfluss zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der dritten konduktiven Schicht (9) durch die zweite resistive Schicht (6) zur Verfügung steht. Bei angelegter konstanter elektrischer Potentialdifferenz zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der dritten konduktiven Schicht (9) bedeutet das eine direkte Änderung des Stromflusses gemäß der folgenden Formel: Bild nicht verfügbar
  • Hierbei ist I der Strom, U die angelegte konstante elektrische Potentialdifferenz zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der dritten konduktiven Schicht (9), ρ der spezifische elektrische Widerstand des Materials der zweiten resistiven Schicht (6), d die Dicke der zweiten resistiven Schicht (6) und A die Fläche des sich aus den Kontaktflächen zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) sowie zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) ergebenden dem Strom zur Verfügung stehenden Pfades. Diese Änderung des Stromflusses wird zur Messung der aufgebrachten äußeren Kraft verwendet.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste konduktive Schicht (5) eines Sensorelements (3) nach außen hin durch eine vierte elektrisch isolierende Schicht (4) elektrisch isoliert. Diese vierte elektrisch isolierende Schicht (4) dient dazu, die externen Kräfte aufzunehmen und sie an die weitere Schichtstruktur weiterzuleiten. Die Schichten (5), (6) und (9) sollen dadurch gegen mechanische Beschädigung der berührenden Messobjekte geschützt werden. Diese vierte elektrisch isolierende Schicht (4) besteht beispielsweise aus einem Elastomer, das die von außen einwirkenden Kräfte an die darunter liegenden Sensorelemente (3) weiterleitet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die dritte konduktive Schicht (6) eines Sensorelements (3) nach außen hin durch eine fünfte elektrisch isolierende Schicht (8) elektrisch isoliert. Diese fünfte elektrisch isolierende Schicht (8) besteht beispielsweise aus einem mechanisch festen Material und gibt dem Sensorelement (3) eine gewisse mechanische Stabilität. Sie kann beispielsweise aus einem keramischen Material oder Faserverbund-Werkstoff bestehen.
  • In weiteren vorteilhaften Weiterbildungen wird die Änderung der Kontaktfläche durch eine Verformung mindestens einer der Schichten (5), (6) oder (9) erreicht. Unter äußerer Krafteinwirkung auf die Sensorfläche (2) mit einer Kraftkomponente senkrecht zur Ebene der Lage mindestens eine der Schichten (5), (6) oder (9) verformt sich mindestens eine der Schichten (5), (6) oder (9) derart, dass sie sich an die jeweils benachbarte Schicht anschmiegt und dadurch die Kontaktfläche vergrößert.
  • In weiteren vorteilhaften Weiterbildungen weist mindestens eine der Schichten (5), (6) und (9) eine unterschiedliche geometrische Form auf derart, dass sich entweder zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) oder zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) oder sowohl zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) als auch zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) mindestens ein Hohlraum (7) ausbilden kann. Vorzugsweise weist die dritte konduktive Schicht (9) eine konvexe Wölbung auf. Die zweite resistive Schicht (6) ist hierbei entweder mit der ersten konduktiven Schicht (5) fest verbunden, siehe 2, oder mit der dritten konduktiven Schicht (9) fest verbunden, siehe 4.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich eine sechste elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der vierten elektrisch isolierenden Schicht (4) und der fünften elektrisch isolierenden Schicht (8). Diese sechste elektrisch isolierende Schicht (13) weist Durchbrüche auf, so dass sich zwischen den Schichten (5), (6) und (9) Hohlräume bilden können. Die sechste elektrisch isolierende Schicht (13) erzeugt in dem Schichtaufbau des Sensorelements (3) eine Struktur, die die Verformungen der einzelnen Schicht (5), (6) und (9) vorgeben kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die sechste elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der vierten elektrisch isolierenden Schicht (4) und der zweiten resistiven Schicht (6), siehe 13. Die erste konduktive Schicht (5) eines Sensorelements (3) ist hierbei von der ersten konduktiven Schicht (5) eines benachbarten Sensorelements (3) elektrisch isoliert, während die dritte konduktive Schicht (9) eines Sensorelements (3) mit der dritten konduktiven Schicht (9) eines benachbarten Sensorelements (3) in direktem elektrisch leitenden Kontakt steht. Die zweite resistive Schicht (6) eines Sensorelements (3) erstreckt sich über die benachbarten Sensorelemente (3). Zur Herstellung eines mechanischen und elektrisch leitenden Kontaktes zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) ist vorzugsweise die Verformung der ersten konduktiven Schicht (5) erforderlich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die sechste elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der vierten elektrisch isolierenden Schicht (4) und der dritten konduktiven Schicht (9), siehe 9 und 10. Die erste konduktive Schicht (5) eines Sensorelements (3) ist hierbei von der ersten konduktiven Schicht (5) eines benachbarten Sensorelements (3) elektrisch isoliert, während die dritte konduktive Schicht (9) eines Sensorelements (3) mit der dritten konduktiven Schicht (9) eines benachbarten Sensorelements (3) in direktem elektrisch leitenden Kontakt steht. Die zweite resistive Schicht (6) eines Sensorelements (3) ist hierbei von der zweiten resistiven Schicht (6) eines benachbarten Sensorelements (3) elektrisch isoliert. Die zweite resistive Schicht (6) kann wahlweise mit der ersten konduktiven Schicht (5) oder mit der dritten konduktiven Schicht (9) fest verbunden sein. Entsprechend ist der Hohlraum (7) entweder zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) oder zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) lokalisiert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die sechste elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der fünften elektrisch isolierenden Schicht (8), siehe 6 und 14. Die erste konduktive Schicht (5) eines Sensorelements (3) steht mit der ersten konduktiven Schicht (5) eines benachbarten Sensorelements (3) hierbei in direktem elektrisch leitenden Kontakt, während die dritte konduktive Schicht (9) eines Sensorelements (3) von der dritten konduktiven Schicht (9) eines benachbarten Sensorelements (3) elektrisch isoliert ist. Die zweite resistive Schicht (6) eines Sensorelements (3) ist hierbei von der zweiten resistiven Schicht (6) eines benachbarten Sensorelements (3) elektrisch isoliert. Die zweite resistive Schicht kann wahlweise mit der ersten konduktiven Schicht (5) oder mit der dritten resistiven Schicht (9) fest verbunden sein. Entsprechend ist der Hohlraum (7) entweder zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) oder zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der dritten konduktiven Schicht (9) lokalisiert.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die sechste elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der zweiten resistiven Schicht (6) und der fünften elektrisch isolierenden Schicht (8), siehe 7. Die erste konduktive Schicht (5) eines Sensorelements (3) steht mit der ersten konduktiven Schicht (5) eines benachbarten Sensorelements (3) hierbei in direktem elektrisch leitenden Kontakt, während die dritte konduktive Schicht (9) eines Sensorelements (3) von der dritten konduktiven Schicht (9) eines benachbarten Sensorelements (3) elektrisch isoliert ist. Die zweite resistive Schicht (6) eines Sensorelements (3) erstreckt sich über die benachbarten Sensorelemente (3). Zur Herstellung eines mechanischen und elektrisch leitenden Kontaktes zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) ist vorzugsweise die Verformung sowohl der ersten konduktiven Schicht (5) als auch der zweiten resistiven Schicht (6) erforderlich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich die sechste elektrisch isolierende Schicht (13) zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6), siehe 8. Die erste konduktive Schicht (5) eines Sensorelements (3) steht mit der ersten konduktiven Schicht (5) eines benachbarten Sensorelements (3) hierbei in direktem elektrisch leitenden Kontakt, während die dritte konduktive Schicht (9) eines Sensorelements (3) von der dritten konduktiven Schicht (9) eines benachbarten Sensorelements (3) elektrisch isoliert ist. Die zweite resistive Schicht (6) eines Sensorelements (3) erstreckt sich über die benachbarten Sensorelemente (3). Zur Herstellung eines mechanischen und elektrisch leitenden Kontaktes zwischen der ersten konduktiven Schicht (5) und der zweiten resistiven Schicht (6) ist vorzugsweise die Verformung der ersten konduktiven Schicht (5) erforderlich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die vierte elektrisch isolierende Schicht (4) eine erste geometrische Struktur (14) auf, die sich in das Innere des Sensorelements (3) erstreckt und damit die Bildung eines Hohlraumes (7) ermöglicht. Diese erste geometrische Struktur (14) erstreckt sich entweder bis zur zweiten resistiven Schicht (6) und steht mit dieser in direktem mechanischen Kontakt, siehe 15, oder bis zur dritten konduktiven Schicht (9) und steht mit dieser in direktem mechanischen Kontakt, siehe 11 und 12.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die fünfte elektrisch isolierende Schicht (8) eine zweite geometrische Struktur (15) auf, die sich in das Innere des Sensorelements (3) erstreckt und damit die Bildung eines Hohlraumes (7) ermöglicht. Diese zweite geometrische Struktur (15) erstreckt sich entweder bis zur ersten konduktiven Schicht (5) und steht mit dieser in direktem mechanischen Kontakt, siehe 3 und 16, oder bis zur zweiten resistiven Schicht (6) und steht mit dieser in direktem mechanischen Kontakt, siehe 5.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine kreisrunde Form auf, siehe 17.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine elliptische Form auf, siehe 18.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine dreieckige Form auf, siehe 19.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine quadratische Form auf, siehe 20.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine rechteckige Form auf, siehe 21.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine sechseckige Form auf, siehe 22.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine achteckige Form auf, siehe 23.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine rautenartige Form auf, siehe 24.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Sensorelement (3) eine unregelmäßige Form auf, siehe 25.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung haben alle Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) dieselbe geometrische Form, siehe 17.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung haben weisen alle Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) dieselbe Größe auf, siehe 17. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen mindestens zwei Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) eine unterschiedliche Größe auf, siehe 26.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung haben mindestens zwei Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) eine unterschiedliche geometrische Form, siehe 25.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) in mindestens einer Reihe angeordnet, siehe 24. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) orthogonal angeordnet, siehe 17.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) hexagonal angeordnet, siehe 22.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) konzentrisch angeordnet, siehe 26.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) spiralförmig angeordnet, siehe 27.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) punktsymmetrisch angeordnet, siehe 26.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) achsensymmetrisch angeordnet, siehe 17.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Sensorelemente (3) der Vorrichtung (1) unregelmäßig angeordnet, siehe 28.
  • In weiteren vorteilhaften Weiterbildungen sind die erste konduktive Schicht (5), die zweite resistive Schicht (6) und die dritte konduktive Schicht (9) zwischen benachbarten Sensorelementen (3) jeweils unterschiedlich untereinander verbunden. Um die elektronische Auslesbarkeit der Sensorelemente (3) zu erhalten muss die Schnittmenge einer Schichtgruppe der ersten konduktiven Schicht (5) und einer Schichtgruppe der dritten konduktiven Schicht (9) ein einzelnes Sensorelement (3) ergeben. Eine Schichtgruppe besteht aus all denjenigen ersten konduktiven Schichten (5) bzw. dritten konduktiven Schichten (9) verschiedener Sensorelemente (3), die untereinander direkt elektrisch leitend verbunden sind. Vorzugsweise sind alle ersten konduktiven Schichten (5) der Sensorelemente (3) untereinander elektrisch leitend verbunden, während alle dritten konduktiven Schichten (9) der Sensorelemente (3) voneinander elektrisch isoliert sind. Die Auswahl des zu messenden Sensorelements (3) erfolgt bei dieser Konfiguration durch Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Datenerfassungselektronik und der dritten konduktiven Schicht (9) des entsprechenden Sensorelements (3).
  • Die direkte Verbindung der zweiten resistiven Schichten (6) der Sensorelemente (3) untereinander hat dagegen andere Folgen. Sind die zweiten resistiven Schichten (6) der Sensorelemente (3) untereinander direkt elektrisch verbunden, so kann sich ein Querkopplungseffekt einstellen. Dieser hat zur Folge, dass sich bei der Änderung eines elektrischen Potentials unter dem Einfluss einer äußeren Krafteinwirkung an einem Sensorelement (3) das elektrische Potential an den benachbarten ebenfalls ändert. Beim Auslesen eines Sensorelements (3) haben in diesem Fall die Krafteinwirkungen auf die benachbarten Sensorelemente (3) ebenfalls eine Auswirkung auf das Ergebnis.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung liegt die Vorrichtung (1) in Form einer Sonde vor.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung liegt die Vorrichtung (2) in Form einer Zange vor.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kommt die Vorrichtung (1) als medizinisches Instrument in Form einer Sonde oder einer Zange in der Chirurgie zum Einsatz.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die vierte elektrisch isolierende Schicht (4) mechanisch flexibel und die fünfte elektrisch isolierende Schicht (8) mechanisch starr.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist sowohl die vierte elektrisch isolierende Schicht (4) als auch die fünfte elektrisch isolierende Schicht (8) mechanisch flexibel.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die erste konduktive Schicht (5) eines Sensorelements (3) mindestens eine elektrisch leitende Zuleitung (12) auf. Vorzugsweise führt diese elektrisch leitende Zuleitung (12) durch das Volumen der vierten elektrisch isolierenden Schicht, siehe 9.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die dritte konduktive Schicht (9) eines Sensorelements (3) mindestens eine elektrisch leitende Zuleitung (10) auf. Vorzugsweise führt diese elektrisch leitende Zuleitung (10) durch das Volumen der fünften elektrisch isolierenden Schicht (8), siehe 2.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zur berührenden Messung und örtlichen Zuordnung von mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Messobjekte
    2
    Sensorfläche
    3
    Sensorelement
    4
    Vierte elektrisch isolierende Schicht
    5
    Erste konduktive Schicht
    6
    Zweite resistive Schicht
    7
    Hohlraum
    8
    Fünfte elektrisch isolierende Schicht
    9
    Dritte konduktive Schicht
    10
    Elektrische Zuleitung zur dritten konduktiven Schicht (9)
    11
    Elektrische Zuleitungen
    12
    Elektrische Zuleitung zur ersten konduktiven Schicht (5)
    13
    Sechste elektrisch isolierende Schicht
    14
    Erste geometrische Struktur der vierten elektrisch isolierenden Schicht (4)
    15
    Zweite geometrische Struktur der fünften elektrisch isolierenden Schicht (8)

Claims (65)

  1. Vorrichtung zur berührenden Messung und örtlichen Zuordnung von mechanischen und geometrischen Eigenschaften von Messobjekten mit zumindest zwei gleichartigen Sensorelementen (3), die jeweils eine erste Schicht (5), eine zweite Schicht (6) und eine dritte Schicht (9) aufweisen, die übereinander so angeordnet sind, dass die erste und dritte Schicht (5, 9) durch die zweite Schicht (6) getrennt sind, die eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die erste und dritte Schicht (5, 9) und die mit der ersten und dritten Schicht (5, 9) eine direkte elektrisch leitende, mechanische Verbindung eingeht, wobei sich zwischen der ersten und zweiten Schicht (5, 6) und/oder zwischen der zweiten und dritten Schicht (6, 9) ein Hohlraum (7) befindet, sodass sich unter Krafteinwirkung auf die Sensorfläche (2) die Größe der Kontaktfläche zwischen den Schichten ändert und wobei die erste und dritte Schicht jeweils mit einer äußeren vierten und fünften Isolationsschicht abgedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den äußeren vierten und fünften Isolationsschichten eine sechste Isolationsschicht angeordnet ist, die innerhalb des Bereichs der Sensorelemente Durchbrüche aufweist, in welche die Sensorelemente getrennt voneinander eingesetzt sind.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten eine unterschiedliche geometrische Form aufweist.
  3. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart gestaltet ist, dass sich unter Krafteinwirkung mit einer Kraftkomponente senkrecht zur Ebene der Lage mindestens einer der Schichten die erste Schicht mechanisch verformt.
  4. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart gestaltet ist, dass sich unter Krafteinwirkung mit einer Kraftkomponente senkrecht zur Ebene der Lage mindestens einer der Schichten die zweite Schicht mechanisch verformt.
  5. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart gestaltet ist, dass sich unter Krafteinwirkung mit einer Kraftkomponente senkrecht zur Ebene der Lage mindestens einer der Schichten die erste und die zweite Schicht mechanisch verformt.
  6. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart gestaltet ist, dass sich unter Krafteinwirkung mit einer Kraftkomponente senkrecht zur Ebene der Lage mindestens einer der Schichten die erste und die dritte Schicht mechanisch verformt.
  7. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart gestaltet ist, dass sich unter Krafteinwirkung mit einer Kraftkomponente senkrecht zur Ebene der Lage mindestens einer der Schichten die erste, die zweite und die dritte Schicht mechanisch verformt.
  8. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht sowie die zweite resistive Schicht keine Wölbung aufweist und die dritte konduktive Schicht mindestens eine Wölbung aufweist.
  9. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht sowie die dritte konduktive Schicht keine Wölbung aufweist und die zweite resistive Schicht mindestens eine Wölbung aufweist.
  10. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht keine Wölbung aufweist und die zweite resistive Schicht sowie die dritte konduktive Schicht jeweils mindestens eine Wölbung aufweist.
  11. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht mindestens eine Wölbung aufweist und die zweite resistive Schicht sowie die dritte konduktive Schicht keine Wölbung aufweist.
  12. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht sowie die dritte konduktive Schicht jeweils mindestens eine Wölbung aufweist und die zweite resistive Schicht keine Wölbung aufweist.
  13. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht sowie die zweite resistive Schicht jeweils mindestens eine Wölbung aufweist und die dritte konduktive Schicht keine Wölbung aufweist.
  14. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht und die zweite resistive Schicht und die dritte konduktive Schicht jeweils mindestens eine Wölbung aufweist.
  15. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste elektrisch isolierende Schicht innerhalb des Bereiches des Sensorelements Durchbrüche aufweist.
  16. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die sechste elektrisch isolierende Schicht zwischen der vierten elektrisch isolierenden Schicht (4) und der zweiten resistiven Schicht (6) befindet und mit diesen in direktem mechanischen Kontakt steht.
  17. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die sechste elektrisch isolierende Schicht zwischen der vierten elektrisch isolierenden Schicht und der dritten konduktiven Schicht befindet und mit diesen in direktem mechanischen Kontakt steht.
  18. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die sechste elektrisch isolierende Schicht zwischen der fünften elektrisch isolierenden Schicht und der ersten konduktiven Schicht befindet und mit diesen in direktem mechanischen Kontakt steht.
  19. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die sechste elektrisch isolierende Schicht zwischen der fünften elektrisch isolierenden Schicht und der zweiten resistiven Schicht befindet und mit diesen in direktem mechanischen Kontakt steht.
  20. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die sechste elektrisch isolierende Schicht zwischen der ersten konduktiven Schicht und der zweiten resistiven Schicht befindet und mit diesen in direktem mechanischen Kontakt steht.
  21. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte elektrisch isolierende Schicht eine erste geometrische Struktur aufweist.
  22. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste geometrische Struktur einen direkten mechanischen Kontakt mit der zweiten resistiven Schicht aufweist.
  23. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie 21, dadurch gekennzeichnet, dass die erste geometrische Struktur einen direkten mechanischen Kontakt mit der dritten konduktiven Schicht aufweist.
  24. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte elektrisch isolierende Schicht eine zweite geometrische Struktur aufweist.
  25. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite geometrische Struktur einen direkten mechanischen Kontakt mit der ersten konduktiven Schicht aufweist.
  26. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite geometrische Struktur einen direkten mechanischen Kontakt mit der zweiten resistiven Schicht aufweist.
  27. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine kreisrunde Form aufweist.
  28. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine elliptische Form aufweist.
  29. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine dreieckige Form aufweist.
  30. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine quadratische Form aufweist.
  31. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine rechteckige Form aufweist.
  32. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine sechseckige Form aufweist.
  33. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine achteckige Form aufweist.
  34. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine rautenartige Form aufweist.
  35. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (3) eine unregelmäßige Form aufweist,
  36. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente dieselbe geometrische Form gemäß einem der Ansprüche 27 bis 35 aufweisen.
  37. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 36, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorelemente dieselbe Größe aufweisen.
  38. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente in mindestens einer Reihe angeordnet sind.
  39. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente orthogonal angeordnet sind.
  40. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente hexagonal angeordnet sind.
  41. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente konzentrisch angeordnet sind.
  42. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente spiralförmig angeordnet sind.
  43. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente punktsymmetrisch angeordnet sind.
  44. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente achsensymmetrisch angeordnet sind.
  45. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente unregelmäßig angeordnet sind.
  46. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten konduktiven Schicht eines Sensorelements und der ersten konduktiven Schicht eines anderen Sensorelements keine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  47. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 46, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Schicht eines Sensorelements und der dritten Schicht eines anderen Sensorelements keine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  48. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 46, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Schicht eines Sensorelements und der dritten Schicht mindestens eines anderen Sensorelements eine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  49. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 46, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Schicht eines Sensorelements und den dritten Schichten aller anderen Sensorelemente eine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  50. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dritten Schicht eines Sensorelements und der dritten Schicht eines anderen Sensorelements keine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  51. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 50, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Schicht eines Sensorelements und der ersten Schicht mindestens eines anderen Sensorelements eine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  52. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 50, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Schicht eines Sensorelements und den ersten Schichten aller anderen Sensorelemente eine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  53. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schichten der Sensorelemente zu mindestens zwei Gruppen unterteilt sind, wobei die ersten Schichten der Sensorelemente innerhalb einer Gruppe eine direkte elektrisch leitende Verbindung untereinander aufweisen.
  54. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Schichten der Sensorelemente zu mindestens zwei Gruppen unterteilt sind, wobei die dritten Schichten der Sensorelemente innerhalb einer Gruppe eine direkte elektrisch leitende Verbindung untereinander aufweisen.
  55. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 sowie 53 und 54, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittmenge aus einer beliebigen Gruppe aus ersten Schichten der Sensorelemente und einer beliebigen Gruppe aus dritten Schichten der Sensorelemente genau ein Sensorelement zugeordnet werden kann.
  56. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Schicht eines Sensorelements und der zweiten Schicht eines anderen Sensorelements keine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
  57. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Sensorelemente aufweist und eine Sonde ist.
  58. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Sensorelemente aufweist und eine Zange ist.
  59. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 sowie einem der Ansprüche 57 und 58, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein chirurgisches Instrument ist.
  60. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte elektrisch isolierende Schicht flexibel ist und dass die fünfte elektrisch isolierende Schicht starr ist.
  61. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die vierte elektrisch isolierende Schicht als auch die fünfte elektrisch isolierende Schicht flexibel ist.
  62. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konduktive Schicht mindestens eine elektrisch leitende Zuführung aufweist.
  63. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie 62, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Zuführung durch das Volumen der vierten elektrisch isolierenden Schicht fuhrt.
  64. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte konduktive Schicht mindestens eine elektrisch leitende Zuführung aufweist.
  65. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 sowie 64, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zuführung durch das Volumen der fünften elektrisch isolierenden Schicht fuhrt.
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