PRESSURE-SENSING DEVICE

Abstract: 1. A pressure sensing device comprising a plurality of piezoelectric transducers (10), and having the following features : a) the transducers (10) are arranged in the form of a matrix (2) of rows (4) and columns (6) ; b) the transducers (10) are each assigned a first electronic switch (12) ; c) the tows (4) of the matrix (2) are each connected to an output (18) of a demultiplexer (14) ; and d) the columns (6) of the matrix (2) are each connected to an input (20) of a multiplexer (16) ; characterised by the following features : e) the output (22) of the multiplexer (16) is connected to a second electronic switch (24) which short-circuits the respective driven transducer (10) of a column (6), and to analogue/digital converter (26) ; f) the control input (30) of the second electronic switch (24) is connected to the output of a digital/analogue converter (32) ; and g) a computer (28) is provided for controlling the demultiplexer (14), the multiplexer (16) and the digital/analogue converter (32).

Description: Vorrichtung zur Erfassunq von Drücken Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung von Drücken mit mehreren elektromechanischen Wandlern, die als Matrix in Zeilen und Spalten geordnet sind und denen jeweils ein erster elektronischer Schalter zugeordnet ist. Es ist ein piezoelektrischer Drucksensor für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem zwei piezoelektrische Kristalle, die an einem Kraftfahrzeug montiert sind, elektrisch parallelgeschaltet sind. Diesen piezoelektrischen Kristallen sind ein Spannungsbegrenzer, ein Integrator, ein Detektor und eine Auslösevorrichtung zugeordnet. Als Spannungsbegrenzer ist eine Zener-Diode vorgesehen und als Integrator wird eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Kapazität verwendet. Ferner ist als Detektor ein Feldeffekttransistor FET vorgesehen, dessen Gate- und Sourceanschluss mit der Kapazität des Integrators verbunden sind. Die Auslösevorrichtung ist dem Drainanschluss des Feldeffekttransistors FET zugeordnet (kanadische Patentschrift 95 O9 92). Durch diese Gestaltung des Drucksensors für Kraftfahrzeuge können nur dynamische jedoch keine statische Drücke erfasst werden. Ferner ist eine Vorrichtung zur Auslese eines zweidimensionalen Ultraschallbildes mittels eines integrierten Akustikarrays bekannt, dessen Elementarwandler als Matrix in Zeilen und Spalten geordnet sind und denen jeweils ein MOS-FET-Verstärker (metal oxid semiconductor field effect transistor) zugeordnet ist, der als Schalter vorgesehen ist. Bei dieser Vorrichtung sind jeweils 16 Verstärker zu einem Bauelement integriert. Durch diese Massnahme wird jeweils über eine Ansteuerleitung eine Zeile ausgelesen (IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-25, No. 5, Sept. 1978, Seiten 273 bis 280). Der Erfindung liest nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung von Drücken anzugeben, mit der man auch statische Drücke mit einer Zeitkonstante von mehreren Minuten erfassen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, dass der Matrix ein zweiter elektronischer Schalter, ein Multiplexer, ein Demultiplexer, ein Analog-Digital-Wandler sowie ein Digital-Analog-Wandler und ein Rechner zugeordnet ist, wird das Wandlersignal differenziert, diskriminiert und anschliessend wieder integriert. Mit dem zweiten entsprechend einem Taktsignal geschalteten elektronischen Schalter wird das Wandlersignal kurzgeschlossen oder einem Rechner zugeführt. Durch das Kurzschliessen des elektromechanischen Wandlers wird das Wandlersignal differenziert. Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung von Drücken nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Figur 1 zeigt eine Vorrichtung gemäss der Erfindung und in den Figuren 2 bis 6 sind Diagramme veranschaulicht, die einen Signalplan bilden. Eine Vorrichtung zur Erfassung von Drücken enthält in der Ausführungsform nach Figur 1 eine Matrix 2, die in Zeilen 4 und Spalten 6 geordnet ist. Jedes Matrixelement 8, das in einem Kreuzungspunkt jeweils einer Zeile 4 und einer Spalte 6 angeordnet ist, enthält einen elektromechanischen Wandler 10, vorzugsweise eine piezoelektrische Folie aus Polyvinyliden-Fluorid PVDF und einen ersten elektronischen Schalter 12, vorzugsweise einen Feldeffekttransistor FET. Dieser Matrix 2 ist ein Demultiplexer 14 und ein Multiplexer 16 zugeordnet. Jeweils ein Ausgang 18 des Demultiplexers 14 ist mit einer Zeile 4 und jeweils ein Eingang 20 des Multiplexers 16 ist mit einer Spalte 6 der Matrix 2 verbunden. Der Ausgang 22 des Multiplexers 16 ist mit einem zweiten elektronischen Schalter 24, vorzugsweise einem Feldeffekttransistor FET versehen. Ausserdem ist der Ausgang 22 des Multiplexers 16 über einen Analog Digital-Wandler 26 mit einem Rechner 28 verbunden, der vorzugsweise ein Mikroprozessor sein kann. Der Steuereingang 30 des zweiten elektronischen Schalters 24 ist mit einem Digital-Analog-Wandler 32 versehen. Der Rechner 28 ist über ein Bussystem 34 mit dem Demultiplexer 14, dem Multiplexer 16 sowie dem Analog Digital-Wandler 26 und dem Digital-Analog-Wandler 32 verbunden. Die elektronischen Schalter 12 und 24 werden gemäss den Taktsignalen T1 und T2 vom Rechner gesteuert. Am Ausgang 22 des Multiplexers 16 erhält man eine Spannung UD, die digitalisiert und im Rechner aufsummiert wird. Am Ausgang 38 des Rechners 28 erhält man eine stufenförmige Spannung UI. Entsprechend dem Diagramm nach Figur 2, in dem eine Kraft F über der Zeit t aufgetragen ist, zeigt der Verlauf der Kraft F einen ansteigenden Bereich mit grosser Zeitkonstante, einen statischen Bereich und einen fallenden Bereich mit grosser Zeitkonstante. Diese Kraft F wirkt jeweils auf den elektromechanischen Wandler 10 der Matrix 2 nach Figur 1. Gemäss dem Diagramm der Figur 3, in dem die Taktsignale Tt über der Zeit t aufgetragen sind, bildet dieses Taktsignal eine Pulsfolge mit gleichen zeitlichen Abständen. Die elektromechanische Wandler 10 jeweils einer der Spalten 6 der Matrix 2 werden über den Multiplexer 16 gemäss der Pulsfolge des Taktsignals TI der elektronischen Schalter 12 mit dem zweiten elektronischen Schalter 24 verbunden. Zu den Zeiten t1 t4, t7, t10, t13, t16 und t19 wird jeweils der erste elektronische Schalter 12 einer Zeile 4 leitend und das Wandlersignal wird ausgelesen. Zu den Zeiten t3, t6, t9, t12, t15 t18 und t21 wird jeweils der erste elektronische Schalter 12 einer der Zeilen 4 sperrend. Für die Pulsfolgedauer, beispielswise t1 bis t4, des Taktsignals T1 wählt man eine Zeit von beispielsweise 10 msec. Die Zeitdauer t1 bis t3, t4 bis t6, t7 bis ts, t10 bis t12, t13 bis t15 sowie t bis t18 und t19 bis t21 ist jeweils die Verweilzeit tV1 der elektronischen Schalter 12 der Matrix 2 in der Stellung ein Der zweite elektronische Schalter 24 schliesst die elektromechanischen Wandler 10 jeweils einer der Spalten 6 der Matrix 2 gemäss einer Pulsfolge des Taktsignals T2 entsprechend dem Diagramm der Figur 4 kurz. Zu den Zeiten t2, t5, tg teil, t4 sowie t17 und t20 wird der zweite elektronische Schalter 24 leitend und zu den Zeiten t3 t6, t9 t12, t 5 ts und t21 wieder gesperrt Für die Pulsfolgedauer, beispielsweise t2 bis t5, des Taktsignals T2 wählt man eine Zeit von beispielsweise 10 msec. Die Zeitdauer t2 bis t3, t5 bis t6, t bis t9, t11 bis t12, t14 bis t15 sowie t17 bis t18 und t20 bis t21 ist jeweils die Verweilzeit tV2 des zweiten elektronischen Schalters 24 in d-er Stellung ein und die Verweilzeit tV2 kann beispielsweise etwa 1 bis 2 msec betragen. Während der Verweilzeit tV2 des zweiten elektronischen Schaltes 24 wird jeweils der elektromechanische Wandler 10 einer Spalte 6 der Matrix 2 kurzgeschlossen und die Wandlerladung fliesst ab. Durch das Kurzschliessen dieser elektromechanischen Wandler 10 wird das Wandlersignal differenziert. Am Ausgang 22 des Multiplexers 16 erhält man entsprechend dem Diagramm der Figur 5 eine Pulsfolge einer Spannung UD als differenzierte Form der Kraft F. Die Spannung UDbeginnt jeweils zu den Zeiten t1 t4, t7, t13, t16 und t19 d.h. die Spannung UD beginnt jeweils mit dem Leitendwerden des elektronischen Schalters 12 jeweils einer der Zeilen 4 der Matrix 2. Die Spannung UD endet jeweils zu den Zeiten, wenn der zweite elektronische Schalter 24 leitend wird, nämlich zu den Zeiten t2 t5 t8 t14 t17 und t20 Während der Zeitdauer t1 bis t2 sowie t4 bis t5 und t7 bis t8 ist jeweils die Spannung UD positiv und während der Zeitdauer t13 bis t14 sowie t16 bis t17 und t19 bis t20 ist die Spannung UD negativ. Diese Zeitdifferenzen stellen jeweils eine Verarbeitungszeit t#dar, in der das Wandlersignal digitalisiert und im Rechner weiterverarbeitet wird. Die Verarbeitungszeit tA kann beispielsweise 0,5 bis 1 msec betragen. Man erhält entsprechend dem Diagramm der Figur 6 am Ausgang 38 des Rechners 28 eine stufenförmige Spannung U1, deren Abweichungen vom tatsächlichen Verlauf der Kraft F umso geringer sind, je kleiner die Kurzschlusszeiten des Taktsignals T2 sind. Die Kurzschlusszeit, d.h. die Verweilzeit tv2 des zweiten elektronischen Schalters 24 in der Stellung lt ein lt, ist kürzer als die Verweilzeit tvi jeweils der elektronischen Schalter 12 der Matrix 2 in der Stellung Wein". Ausserdem enden die Verweilzeiten t der elektronischen Schalter 12 und die Verweilzeit tV2 des zweiten elektronischen Schalters 24 gleichzeitig. Die Verweilzeit ty2 des zweiten elektronischen Schalters 24 plus die Verarbeitungszeit tA entspricht der Verweilzeit tV1 der ersten elektronischen Schalter 12 der Matrix 2. Die Verweilzeit tg2 darf einerseits nicht zu kurz werden, da sonst die Ladung der elektromechanischen Wandler 10 jeweils einer Spalte 6 der Matrix 2 nicht restlos abfliessen kann und somit eine Hochspannung an diesen elektromechanischen Wandlern 10 entstehen kann und andererseits darf die Verweilzeit tvz nicht zu gross werden, da sonst die Verarbeitungszeit tA zu kurz werden kann und somit der Informationsgehalt des Wandlersignals zu gering ist für eine Weiterverarbeitung. Die Verweilzeit ty2 kann beispielsweise etwa 1 bis 2 msec gewählt werden. Die Ver arbeitungszeit # A kann beispielsweise 0,5 bis 1 msec betragen. Durch diese Massnahme erhält man eine Vorrichtung, die nicht nur dynamische sondern auch statische Drücke erfassen kann. Eine solche Natrixanordnung benötigt man vorzugsweise bei piezoelektrischen Tastaturen für Schreibmaschinen oder Datensichtgeräten und bei piezoelektrischen Sensormatten für den Intrusionsschutz. Da man mit dieser Vorrichtung gemäss der Figur 1 auch statische Drücke mit einer Zeitkonstante von mehreren Minuten erfassen kann, erhält man eine piezoelektrische Tastatur rit einer "Repeat"-Funktion, d.h. ein gedrücktes Zeichen der Tastatur wird automatisch geschrieben, wenn die entsprechende Taste länger als beispielsweise 0,5 sec gedrückt wird, und mit einer "N-key rollover11-Funktion, d.h. mehrere gleichzeitige gedrückte Tasten werden eindeutig erkannt. 11 Patentansprüche 6 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Vorric#tung zur Erfassung von Drücken mit mehreren elektromechanischen Wandlern (10), die als Matrix (2) in Zeilen (4) und Spalten (6) geordnet sind und denen jeweils ein erster elektronischer Schalter (12) zugeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass der Matrix (2) ein zweiter elektronischer Schalter (24), ein Demultiplexer (14), ein Multiplexer (16), ein Analog-Digital-Wandler (26) sowie ein Digital-Analag- Wandler (32) und ein Rechner (28) zugeordnet ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass für die elektronischen Schalter (12, 24) jeweils ein Taktsignal (T1, T2) vorgesehen ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass als elektronische Schalter (12, 24) Feldeffekttransistoren FETs vorgesehen sind. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass als Rechner (28) ein Mikroprozessor vorgesehen ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass die Ausgänge (18) des Demultiplexers (14) jeweils mit einer Zeile (4) der Matrix (2) verbunden sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass die Eingänge (20) des Multiplexers (16) jeweils mit einer Spalte (6) der Matrix (2) verbunden sind. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass der Ausgang (22) des Multiplexers (16) mit dem zweiten elektronischen Schalter (24) verbunden ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t , dass der Ausgang (22) des Multiplexers (16) über den Analog-Digital-Wandler (26) mit dem Rechner (28) verbunden ist. 9. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Demultiplexer (14), der Multiplexer (16) und der zweite elektronische Schalter (24) mittels Digital Analog-Wandler (32) vom Rechner (28) gesteuert werden. 10. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch g, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Verweilzeit (tv2) des zweiten elektronischen Schalters (24) in der Stellung ein geringer ist als die Verweilzeit (tV7) des ersten elektronischen Schalters (12) in der Stellung ein (Figur 3 bzw. 4). 11. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Verweilzeit (tV1) des ersten elektronischen Schalters (12) und die Verweilzeit (tV2) des zweiten elekronischen Schalters (24) gleichzeitig enden (Figur 3 bzw. 4).

Inventors: SCHEWE, HERBERT, DR., SCHMIDT, OTTO
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1984
Main classification: G01L1
IPC codes: G01L5, G01L1