DE19616952C1 - Taktiler, optoelektronischer Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen taktilen, optoelektronischen Drucksensor. Ein mit axialen Bohrungen durchsetztes Gebilde wird von einer Stirnseite her durchleuchtet und an der andern Stirnseite die abgegebene Lichtintensität pro Bohrung erfaßt und/oder weiter­ geleitet. Durch axiale Druckausübung auf eine solche Bohrung oder flächig auf mehrere oder alle Bohrungen kann deren lichte Weite verengt werden, wodurch an der Lichtaustrittsseite druckabhängig weniger Licht austritt. Die am Lumenausgang ge­ messene oder weitergeleitete Lichtintensität ist somit ein Maß für die Druckbeaufschlagung an der Lichteintrittsseite.

Die Anmeldung älteren Zeitrangs gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 1 95 27 957 C1 betrifft einen taktilen, optoelektronischen Drucksensor. Der taktile Teil des Sensors besteht aus einem lichtundurchlässigen, mit axialen Kollimatorbohrungen versehenen, gummiartigen Körper, der von einer Seite her mit einer Elektroluminiszenz-Leuchtfolie durchstrahlt werden kann. Die Bohrungen verändern ihre lichte Weite unter axialer Druckeinwirkung. Das noch durchkommende Licht wird an der Lichtaustrittsseite der einzelnen Bohrungen weitergeleitet oder in seiner Intensität mit optoelektronischen Mitteln ge­ messen, so daß die Druckeinwirkung ortsabhängig mit einem Punkteraster darstellbar ist.

Der Nachteil des taktilen Teils dieses Sensors besteht darin, daß die Querbeeinflussung der Veränderung der lichten Weite der Bohrungen unter Druckeinwirkung unvermeidlich ist. Ausge­ hend vom Ort des Maximums der axialen Druckeinwirkung wird das gummiartige Material radial zur Seite gequetscht, so daß die radial umliegenden Bohrungen von der Bohrung, auf die der ma­ ximale Druck einwirkt, gekrümmt werden und unter Druckeinwir­ kung nicht mehr rotationssymmetrisch sind. Damit ist die ört­ liche gemessene Krafteinwirkung wegen dieser Querbeeinflussung verfälscht.

Der Einsatz von matrixförmig angeordneten Lichtleitern ver­ meidet solche Querbeeinflussungen. Aus der EA 0 328 703 A1 ist eine solche Anordnung bekannt, mit der mit Rastergenauigkeit ortsaufgelöst Drücke meßbar sind. Die Art der Druckeinwirkung auf die Zeilen und Spalten der Matrix ist radial, wie das bei einem faseroptischen Sensor gemäß DE 32 36 435 C2 erfolgt. Das Prinzip ist dabei Verringerung der durchgelassenen Lichtinten­ sität in einem Lichtleitkanal durch Einschnürung unter Druck­ bzw. Krafteinwirkung.

Der Nachteil dabei ist, daß die Elemente der Matrix nur suk­ zessive durch Ansteuern der Matrixelemente (Lichtleiterknoten­ punkte) auslesbar sind.

Daraus ergibt sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt: Es soll der taktile Teil eines optoelektronischen Drucksen­ sors so gestaltet werden, daß ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der axialen Druckeinwirkung auf der Lichteinstrahl­ seite und der örtlich abgestrahlten Lichtintensität auf der Lichtabstrahlseite besteht und der örtlich unterschiedliche Druck auf eine Einwirkfläche in Form von entsprechend beein­ flußten Durchlaßlichtintensitäten simultan erfaßbar ist.

Die Erfindung wird durch einen taktilen, optoelektronischen Drucksensors gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Drucksensor besteht aus einem starren Körper, der eine Matrix aus axialen Bohrun­ gen hat. In jeder Bohrung ist ein an der Wand anliegender Hohlzylinder aus elastischem Material untergebracht. Jeder die­ ser Hohlzylinder ragt auf der einen, freien Stirnseite des Körpers etwas hinaus schließt auf der andern bündig ab. Die herausragenden Hohlzylinder sind durch eine Elektroluminis­ zenzfolie abgedeckt, die in die Hohlzylinder mit nichtreflek­ tierender oder allenfalls diffus reflektierender Innenwand hineinstrahlt. Unter axialer Druckeinwirkung auf die Hohlzy­ linder verändern diese ihren Querschnitt druckabhängig und da­ mit die durchgelassene Lichtintensität. Eine nachgeordnete op­ toelektronische Auswerteeinheit erfaßt die einzelnen durchge­ lassenen, druckabhängigen Lichtintensitäten.

Der Unteranspruch 2 kennzeichnet die in den taktilen Teil ein­ strahlende Elektroluminiszenzfolie, die nicht ganz flächig ab­ strahlen muß. Es ist nur dort eine Lichtquelle nötig, an der ein elastischer Hohlzylinder (Schlauch) positioniert ist. Da­ her genügt eine z. B. aus einer Struktur herausgeschnittene oder -gestanzte netzartige Lichtquelle, deren Knoten die in­ nenliegenden Hohlzylinderwand und die am andern Ende anliegen­ den Faserenden abdecken. Gegebenenefalls könnte die Folie (An­ spruch 1) oder die netzartige Folienstruktur mit den Hohlzy­ linderstirnseiten verklebt sein, damit kein Verrücken auftre­ ten kann. Das ist aber wegen der notwendigen möglichem Querschnittsänderung des Lumens des Hohlzylinders nicht sinn­ voll.

Wichtig ist, daß sich das Matrixmaterial mechanisch bis erheb­ lich über die maximal vorgesehene axiale Druckeinwirkung hin­ aus formstabil, d. h. starr verhält. Insbesondere für den ebenfalls vorgesehenen medizinischen Einsatz muß es darüber hinaus gewebefreundlich und chemisch beständig gegenüber Be­ rührung sowie sterilisierbar sein (Anspruch 3 und 4).

Die Lichteintrittseite des taktilen Teils mit der aufliegenden Elektroluminiszenzfolie ist zum Schutz gegen Umwelteinflüsse mit einer weichen, hochelastischen lichtundurchlässigen Haut, die ebenfalls gewebefreundlich, chemisch beständig und steri­ lisierbar ist, abgedeckt, insbesondere auch, um Fremdlichtein­ flüsse abzuschirmen. Gleichzeitig ist damit auch eine elektri­ sche Isolation nach außen eingerichtet (Anspruch 5).

Da bei diesem taktilen Teil jeder Hohlzylinder oder jedes Druckelement (jeder Einzelsensor) von den andern in der Matrix hinsichtlich der Elastizität und Querbeeinflussung völlig ent­ koppelt ist, ist die druckabhängige Verkleinerung des jeweili­ gen Lumenquerschnitts alleine auf die dort wirkende axiale Druckeinwirkung zurückzuführen. Die Druckeinwirkung, ortsab­ hängig flächig oder ortsabhängig punktuell, wird dadurch un­ verfälscht durch die einzelne Lichtintensitätsmessung wieder­ gegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines skizzierten Aus­ führungsbeispiels beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Einzelsensor mit Auswerteeinheit sowie ohne und mit flexiblem Lichtwellenleiter,

Fig. 2 eine Anordnung von Einzelsensoren zu einem Array,

Fig. 3 eine durchbrochene, netzstrukturierte Leuchtfolie.

Der einzelne Sensor aus dem taktilen Teil des elektrooptischen Sensors ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Von oben strahlt der Ausschnitt an Elektroluminiszenz-Leuchtfolie 1 auf den elastischen Hohlzylinder 2 aus elastischem Material und leuchtet das vorhandene Lumem aus. Der Hohlzylinder 2 ist im Durchführungsbeispiel aus Silikonkautschuk. Andere elastische Substanzen kommen auch in Betracht, solange sie tauglich für die Umgebung sind, in der sie eingesetzt werden sollen. Der Kautschukhohlzylinder 2 sitzt axial unverrückbar in der Ma­ trixbohrung 4. Die Matrix 7 besteht aus Messing. Der Schlauch 2 ragt etwas aus der oberen Matrixfläche heraus, und zwar min­ destens so weit, daß das Lumen 3 bei entsprechender axialer Druckeinwirkung völlig schließt und dabei die Stirnseite des Schlauchs höchstens mit der Matrixfläche bündig wird. Ein noch höherer axialer Druck kann dann ohnehin nicht mehr auf diesem Wege meßtechnisch erfaßt werden.

Auf der Lichtaustrittseite des Schlauchs 2 schließt derselbe bündig mit der Matrixfläche ab. Dort setzt die optoelektroni­ sche Auswerteeinheit 5 oder der flexible Lichtwellenleiter 6 unmittelbar und dann diese Auswerteeinheit 5 an.

Die Auswerteeinheit 5 ist schematisch durch eine Reihenschal­ tung aus Photodetektor mit Widerstand und Spannungsquelle an­ gedeutet. Der Lichtwellenleiter 6 kann ein Lichtleitfaserbün­ del oder eine einzelne Faser sein, je nach Größenverhältnis des Einzelsensors 1, 2, 3, 4. Wesentlich ist allerdings, daß im Falle eines Matrixaufbaus eine Ortszuordnung vorgenommen werden kann. Hierzu müssen die Lichtwellenleiter 6 von den einzelnen Sensoren geordnet vom taktilen Teil zur optoelektro­ nischen Wandlermatrix gehen, die wie die Einzelsensoren aus der entsprechenden Anordnung von optoelektronischen Auswerte­ einheiten besteht. CCD-Chips eignen sich hierfür sehr gut.

Der Aufnehmer oder die Matrix 7 gemäß Fig. 2 aus Messing zeigt ein quadratisches Array der Einzelsensoren. Eine andere Form des Arrays ist ebenso möglich falls es für einen bestimm­ ten Einsatzfall erforderlich wäre.

Die Abdeckung des Arrays auf der Lichteintrittseite durch die Leuchtfolie 1 kann durchgehend sein. Es ist aber zweckmäßig, die Leuchtfolie 1 so zu strukturieren, wie das in Fig. 3 skizziert ist. Dabei kommt ein Knoten 8 im Innern der Anord­ nung zur vollen Abdeckung mit einer Schlauchstirnseite. Die Einzelsensoren am Rand werden durch die jeweilige Faserverlän­ gerung 9 der Netzstruktur 10 abgedeckt. Der elektrische An­ schluß der Folie bzw. des Netzes 11 liegt an einer Seite bzw. werden die Faserenden 9 einer Seite dafür zusammengefaßt. Ein solches Netz 11 aus Leuchtfolie 1 ist darüber hinaus elasti­ scher als eine zusammenhängende Folie.

Der gemäß Fig. 2 skizzierte Aufbau des taktilen Sensorteils ist für den Einsatz in der Medizin vorgesehen, und zwar zum Ertasten von Gewebe. Die Elektroluminiszenz-Leuchtfolie 1 ist 0,17 mm dick. Die eingelassenen Schläuche 2 haben im unbela­ steten Zustand einen Außendurchmesser von 0,8 mm und eine lichte Weite des Lumens 3 von 0,35 mm. Der Durchmesser der Ma­ trix 7 ist 14 mm; das Array hat die skizzierte Anordnung von 8 × 8 Einzelsensoren.

Claims (5)

1. Taktiler, optoelektronischer Drucksensors mit einem Körper, der mehrere axial verlaufende Bohrungen (4) innerhalb einer starren Matrix (7) aufweist, wobei in jeder Bohrung je ein an der Wand der Bohrung anliegender Hohlzylinder (2) aus elastischem Material angeordnet ist, dessen erste Stirn­ seite über das erste Ende der Bohrung hinausragt und dessen zweite Stirnseite mit dem zweiten Ende der Bohrung bündig verläuft und an einem Hinausragen an diesem Ende gehindert ist,
die ersten Stirnseiten der Hohlzylinder mit einer Licht aussendenden Elektroluminiszenzfolie (1) bedeckt und in Axialrichtung druckbeaufschlagbar sind,
die Innenwandungen der Hohlzylinder das Licht nicht oder al­ lenfalls diffus reflektieren und
das die druckabhängige Innenweite der Hohlzylinder durch­ laufende Licht auf eine deren zweiten Stirnseiten nachge­ ordnete optoelektronische Auswerteeinheit fällt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der freien ersten Stirnseite der Hohlzylinder (2) aufliegende Elektroluminiszenzfolie (1) ganzflächig oder netzartig strukturiert ist und das Lumen (3) jedes Hohlzy­ linders (2) voll ausleuchtet.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (7) aus gewebefreundlichem, chemisch beständi­ gem, dielektrischem Material besteht.

4. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (7) aus einem gewebefreundlichen, chemisch be­ ständigen, metallischen Material besteht.

5. Drucksensor nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sein taktiler Teil mit einer weichen, hochelastischen, lichtundurchlässigen, dielektrischen Kappe aus gewebe­ freundlichem, chemisch beständigem Material überzogen ist.