IT201800011073A1 - Trasduttore a larga banda conformato a spirale - Google Patents
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Description
TRASDUTTORE A LARGA BANDA CONFORMATO A SPIRALE
SPIRAL-SHAPED BROAD BAND TRANSDUCER
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione è relativa ad un trasduttore a larga banda conformato a spirale. Più in particolare l’invenzione si riferisce ad un trasduttore sottile a larga banda conformato a spirale che può ad esempio essere realizzato con film di polimero ferroelettrico.
Più in generale, l’ambito di applicazione dell’invenzione è quello dei trasduttori piezoelettrici e piroelettrici realizzati con una lamina in film sottile di forma spiralizzata, per l’uso ad esempio nella realizzazione di dispositivi di ecolocalizzazione applicabili in sistemi robotici per la valutazione di molteplici informazioni come la stima del tempo di volo, oppure nei sistemi di posizionamento ‘indoor’ e ‘outdoor’, oppure per la misurazione di parametri in campo biomedico utili, come ad esempio, ai fini della riabilitazione di soggetti ipovedenti.
Arte nota
Per la realizzazione di trasduttori piezoelettrici e piroelettrici sono noti film plastici, in particolare PoliVinilidenFluoruro (PVDF) oppure PoliVinilDiFluoruro (PVF2) e relativi copolimeri come PoliVinilidenFluoruro-TriFluoroEtilene (PVDF-TrFE), PoliVinilDiFluoruro-CloroTriFluoroEtilene, nonché altri materiali piezoelettrici noti come ad esempio SU-8/ZnO nanocomposito, composito di polidimetilsilossano (PDMS)/nanotubi di carbonio (CNT)/nanoparticelle di titanato di bario (BaTiO3), nitruro di alluminio, composito di niobato di piombo e magnesio/titanato di piombo (PMN/PT)/resina epossidica, poliammidi, titanato zirconato di piombo (PZT) e suoi compositi, come noti all’esperto del ramo.
Tali trasduttori comprendono tipicamente una lamina piana di film plastico metallizzato su entrambi i lati e polarizzato opportunamente.
È altresì nota l’esistenza di tali trasduttori in forma semicilindrica, in cui la lamina di film metallizzato viene curvata per ottenere una superficie semicilindrica (in modo che la direzione di polarizzazione dello stesso sia ad essa ortogonale in ogni punto della superficie maggiore del film).
Studi sperimentali e teorici sulle caratteristiche di questi trasduttori ad uso singolo o multiplo sono stati pubblicati da Fiorillo A.S. (IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 1992, 44(6), 688-692), Brown L.F. (IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 2000, 47(6), 1377-1396), Toda M. (IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control2002, 49(5), 626-634).
Nel trasduttore di forma semicilindrica le due estremità della lamina sottile sono rigidamente vincolate, e l’applicazione di un campo elettrico, ad esempio in corrente alternata, tra le due superfici metallizzate, impone che lo spostamento in direzione longitudinale, nella lamina non soggetta a vincoli, venga convertito in direzione radiale nella superficie semicilindrica, risultante nell’emissione di radiazione acustica ovvero nella generazione di onde ultrasoniche nel mezzo circostante, preferibilmente aria. Per contro un’onda meccanica, tipicamente alle frequenze ultrasoniche, che investe la lamina genera una differenza di potenziale tra le superfici della lamina. Assumendo l’ipotesi di una lamina sottile con polarizzazione in direzione perpendicolare all’asse del cilindro, un siffatto risonatore ultrasonico ha la peculiare caratteristica che la frequenza di risonanza risulta inversamente proporzionale al raggio del cilindro (a meno di un fattore di proporzionalità costante comprendente rispettivamente il fattore di elasticità tangenziale e la densità media del film metallizzato). Tuttavia esso presenta una ristretta banda di frequenza, inferiore a 10 kHz.
È nota anche la disponibilità commerciale di trasduttori in PVDF a forma cilindrica prodotti dalla Measurement Specialties, aventi frequenze di risonanza di 40 kHz o 80 kHz, che sono caratterizzati da una banda limitata non superiore a 10 kHz. Inoltre, siffatti trasduttori commerciali possiedono discrete caratteristiche di omni-direzionalità del campo acustico irradiato, ma solo nel piano orizzontale.
Sono inoltre di recente sviluppo trasduttori in lamina di film sottile e curvati a forma di semi-cono, la cui larghezza di banda non è superiore a 10 kHz, comprendente frequenze di vibrazione tra 25 kHz e 35 kHz.
A conoscenza degli inventori, nessuno dei trasduttori piezoelettrici sinora realizzati e/o commercializzati è risultato tuttavia completamente soddisfacente in termini di larghezza di banda (non superiore a 10 kHz), avendo dunque la necessità di dover variare la geometria della lamina, preferibilmente la misura del raggio per una struttura semi-cilindrica e/o semi-conica, per migliorare la larghezza di banda dei trasduttori stessi.
È sentita pertanto la necessità di realizzare un dispositivo trasduttore ultrasonico avente una larga banda (ovvero intervallo di frequenze nel quale le componenti frequenziali vengono lasciate inalterate, come noto all’esperto del ramo), preferibilmente superiore a 10 kHz, più preferibilmente superiore a 20 kHz, ancor più preferibilmente superiore a 40 kHz.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
Costituisce oggetto dell’invenzione un trasduttore a larga banda conformato a spirale. Detto trasduttore è un trasduttore sottile a larga banda conformato a spirale che può ad esempio essere realizzato con film di polimero ferroelettrico.
Altro oggetto dell’invenzione è un dispositivo comprendente uno o più trasduttori piezoelettrici e piroelettrici presentanti ciascuno una lamina di film sottile metallizzata su entrambe le facce, polarizzata e conformata a spirale. La geometria a spirale, in base alla quale è avvolta ciascuna lamina, imponendo raggi di curvatura diversi, risulta in una moltitudine di vibrazioni o modi di risonanza e non-risonanza all’interno di uno spettro ampio di frequenze ultrasonore, preferibilmente alte e medie frequenze, più preferibilmente basse frequenze, e permette il funzionamento del trasduttore ultrasonico sia come ricevitore che come trasmettitore.
Ancora altro oggetto dell’invenzione è un metodo per rilevare le caratteristiche di un fascio di radiazioni infrarosse, caratterizzato dal fatto di utilizzare uno o più trasduttori comprendenti ciascuno una lamina sottile di materiale piroelettrico conformato a spirale.
Ulteriori oggetti risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata dell’invenzione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Le caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni allegati, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, nei quali:
la Fig. 1 è una vista planare, ingrandita, del trasduttore realizzato secondo l’invenzione a forma di spirale, nella quale sono schematizzate le due estremità 2 e 3 di una lamina sottile 1 vincolata rigidamente;
la Fig. 2 mostra una vista prospettica di una lamina sottile 1 disposta nella conformazione a spirale, priva di vincoli alle due estremità;
la Fig. 3 mostra un supporto rigido 4 per il trasduttore a forma di spirale, comprendente due fessure 5, 5’ in corrispondenza delle quali è realizzato l’incollaggio con resina epossidica rapida di una lamina sottile;
la Fig.4 mostra un ulteriore esempio di supporto rigido 6 per il trasduttore a forma di spirale, il quale risulta incollato con resina epossidica rapida in corrispondenza della fessura 5”, e fissato ‘a pressione’ per mezzo degli elementi, ad esempio elementi plastici 7 e 8 dotati di fori 9; l’uso di mini viti o rivetti facilita l’assemblaggio e, combinato con resina epossidica conduttrice, garantisce un migliore contatto elettrico.
la Fig.5 mostra nel particolare l’elemento 7 e la fessura di accoglimento 10 per il film sottile;
la Fig.6 mostra uni dei piedini 11, in metallo o lega di metallo o altro materiale equivalente, ognuno dei quali realizza il contatto elettrico con una faccia del film sottile;
la Fig. 7 mostra lo schema a blocchi di un circuito di condizionamento per la eccitazione di trasduttori a forma di spirale. Il circuito di eccitazione comprende un generatore di segnale 13, preferibilmente un generatore di segnale sinusoidale alle frequenze di oscillazione desiderate, un cavo coassiale 14 che mette in comunicazione il generatore di segnale con un blocco di amplificazione 15, ed uno stadio elevatore 16 atto a fornire al trasduttore 17 un segnale di ampiezza elevata, preferibilmente di qualche centinaio di Volt, come noto all’esperto del ramo.
la Fig. 8 mostra lo schema a blocchi del circuito di condizionamento per la ricezione di segnali ultrasonici mediante uso di trasduttori conformati a spirale. Il circuito di ricezione consta di un cavo coassiale 14 che connette il trasduttore 17 con il blocco di amplificazione a basso rumore 18, un blocco di filtraggio a banda passante 19, ed un blocco di amplificazione ad elevato guadagno 20, come noto all’esperto del ramo.
DECRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
Nell’ambito della presente invenzione con il termine trasduttore si intende un dispositivo che riceve una forma di energia e la converte, in genere, in forma differente.
Con il termine trasduttore piezoelettrico si intende un dispositivo che converte una deformazione meccanica in un segnale elettrico, o una differenza di potenziale applicata in deformazione meccanica, utilizzando l’effetto piezoelettrico diretto o inverso, rispettivamente.
Con il termine trasduttore piroelettrico, si intende un dispositivo che produce una variazione di polarizzazione elettrica in seguito a variazioni di temperatura, dovute ad esempio ad assorbimento di radiazioni termiche.
Nell’ambito della presente invenzione con il termine banda larga si intende l’intervallo di frequenze in cui le componenti frequenziali appartenenti ai segnali ultrasonici trasmessi e/o ricevuti vengono lasciate inalterate. Nel particolare, il trasduttore ultrasonico oggetto dell’invenzione possiede una banda di frequenza preferibilmente superiore a 10 kHz, più preferibilmente superiore a 20 kHz, ancor più preferibilmente superiore a 40 kHz.
Con il termine film sottile si intende individuare la forma del trasduttore dell’invenzione, conformato in modo da avere uno spessore ridotto rispetto alle altre dimensioni di altezza e lunghezza. Il film sottile è inoltre in forma di nastro avvolto a spirale lungo l’asse longitudinale.
La geometria a spirale del trasduttore secondo l’invenzione, imponendo alla lamina raggi di curvatura diversi, risulta in una moltitudine di vibrazioni o modi di risonanza all’interno di uno spettro molto ampio di frequenze ultrasonore, preferibilmente alte e medie frequenze comprese nell’intervallo ad esempio da qualche centinaio di kHz a qualche MHz, più preferibilmente basse frequenze comprese nell’intervallo da decine di kHz al centinaio di kHz, e permette il funzionamento del dispositivo sia come ricevitore che come trasmettitore.
Partendo dall’assunto che la frequenza di risonanza di un trasduttore semicilindrico è funzione inversa del raggio di curvatura della superficie cilindrica stessa, l’Invenzione si riferisce alla realizzazione un dispositivo a trasduttore comprendente una lamina in film sottile metallizzato curvata secondo una geometria a spirale, preferibilmente una spirale scelta fra: spirale logaritmica https://it.wikipedia.org/wiki/Spirale_logaritmica, spirale di Archimede https://it.wikipedia.org/wiki/Spirale_archimedea, spirale aurea o spirale di Fibonacci https://it.wikipedia.org/wiki/Spirale_aurea.
Il trasduttore a forma di spirale dell’invenzione, nella sua forma di attuazione più semplice, rappresenta una sommatoria continua di componenti risonatori semicilindrici contigui con differenti raggi e lunghezze d’arco tali che ogni componente della sommatoria risulterà inversamente proporzionale al raggio della spirale, detto ‘raggio vettore’. Ciascuna porzione del trasduttore in lamina sottile risulta arcuata secondo un determinato raggio di curvatura, e dunque sottoposta preferibilmente ad una specifica vibrazione risonante, più preferibilmente a molte vibrazioni risonanti. Una tale geometria a spirale, per sua natura, comprende una moltitudine di geometrie semicilindriche distribuite per tutta la lunghezza L della lamina sviluppata in piano.
Quando si applica una differenza di potenziale tra le due superfici metallizzate, le cui estremità sono vincolate rigidamente a due linee parallele tangenziali alla spirale, per effetto piezoelettrico inverso, si determinano dunque molteplici modi risonanti, od anche altre modalità di vibrazione non desiderate, ad esempio modi flessurali.
Il trasduttore in film sottile a forma di spirale oggetto dell’invenzione, ha dunque il vantaggio di trasmettere e ricevere in modo efficiente onde ultrasonore in un’ampia banda che sarà funzione della lunghezza L della lamina sviluppata in piano, preferibilmente maggiore di 10 kHz, più preferibilmente maggiore di 20 kHz, ancor più preferibilmente maggiore di 40 kHz.
Grazie alla sua forma, costituita da un film sottile di data altezza e di lunghezza L, avvolto a spirale lungo l’asse longitudinale, il trasduttore possiede proprietà di omnidirezionalità sia sul piano orizzontale che verticale ovvero la capacità del trasduttore di trasmettere e/o ricevere in tutte le direzioni, nei due piani ortogonali, segnali ultrasonici aventi similari livelli di pressione sonora in trasmissione, e similare sensitività in ricezione.
In forme di attuazione più complesse possono essere previsti più di un trasduttore con diverse lunghezze L della lamina sottile, come ad esempio lunghezze comprese tra 5 cm e 10 cm, al fine di ottenere bande di frequenze di lavoro più o meno ampie nell’intervallo di basse e medie frequenze ultrasonore in base all’applicazione desiderata.
L’impiego in un dispositivo di più trasduttori posizionati preferibilmente in forma di schiera, ancor più preferibilmente in forma di matrice, consente di realizzare un sistema di ricezione e trasmissione con una banda di frequenza molto ampia e con caratteristiche di risposta ottimali in tutta la banda di frequenza.
Quanto detto per la trasmissione e la ricezione di onde acustiche può essere integrato con le proprietà piroelettriche del materiale in oggetto, ad esempio (PVDF) o altri, aventi caratteristiche analoghe, ad esempio per applicazioni in campo fotoacustico.
Materiali vantaggiosamente impiegabili sono scelti fra: PoliVinilidenFluoruro (PVDF) oppure PoliVinilDiFluoruro (PVF2) e relativi copolimeri come PoliVinilidenFluoruro-TriFluoroEtilene (PVDF-TrFE), PoliVinilDiFluoruro-CloroTriFluoroEtilene, nonché altri materiali piezoelettrici noti come ad esempio SU-8/ZnO nanocomposito, composito di polidimetilsilossano (PDMS)/CNT/nanoparticelle di BaTiO3, nitruro di alluminio, composito di niobato di piombo e magnesio/titanato di piombo (PMN/PT)/resina epossidica, poliammidi, titanato zirconato di piombo (PZT) e suoi compositi.
La piroelettricità del materiale, come ad esempio in materiali come il titanato di bario, il titanato-zirconato di piombo, il niobato di litio, oppure polimeri di PVDF e suoi copolimeri, è legata alla generazione di un campo elettrico se sottoposto a gradienti di temperatura. In particolare si propone di usare una disposizione a schiera od a matrice dei trasduttori in oggetto, per rilevare l’energia emessa da un fascio laser, o sorgenti di radiazione termica come ad esempio sorgenti infrarosse, e dunque la temperatura di corpi, in caso di stimolazione nell’infrarosso. Disponendo ad esempio di una matrice di trasduttori del tipo in oggetto può essere rilevata la distribuzione di energia nel piano perpendicolare all’asse del fascio laser. Volendo evitare di miniaturizzare questi sensori per rilevare con buon dettaglio l’andamento spaziale della energia è sufficiente anteporre alla matrice o struttura di sensori una lente divergente che trasformi la sezione originaria del fascio laser in una simile per distribuzione di energia, ma sufficientemente amplificata. Il sistema, si presta per la rilevazione di emissione laser in onde continue o in regime pulsato.
Come detto sopra, il dispositivo a trasduttore secondo l’invenzione comprendente una lamina in film sottile metallizzato curvata secondo una geometria a spirale, ad esempio spirale logaritmica, spirale di Archimede o spirale di Fibonacci. Il film sottile presenta uno spessore compreso preferibilmente tra 9 µm e 110 µm, molto più preferibilmente tra 28 µm e 52 µm, ancor più preferibilmente tra 28 µm e 40 µm. Nel caso di materiali rigidi preformati può variare notevolmente lo spessore e arrivare anche al millimetro ed oltre, ma non le altre dimensioni che impongono la forma a spirale. La lamina è metallizzata su entrambe le facce con alluminio od altri materiali conduttori, anche multistrati. Le due estremità della lamina possono essere connesse ad un supporto, ad esempio incollate con resina epossidica rapida e dovranno essere rigidamente vincolate ad esso per mantenere la forma a spirale voluta. In aggiunta, la lamina sottile è fissata tramite una connessione conduttiva a due elettrodi uguali in rame o materiale equivalente, come noto all’esperto del ramo, utilizzando un materiale adesivo conduttivo come ad esempio una resina epossidica caricata in argento.
La dimensione L della lunghezza della lamina sottile viene stabilita in base alla banda di frequenze che deve possedere il trasduttore. Ad esempio, alla banda di frequenze compresa tra 20 kHz e 100 kHz corrisponde una lamina avente lunghezza preferibilmente pari a 5 cm (centimetri).
L’altezza della lamina dipende dalla sensibilità e dalla forma del lobo di radiazione che si desidera ottenere. Ad esempio, con un’altezza preferibilmente di 3 mm si possono ottenere in aria buoni segnali eco da riflettori piani fino ad una distanza di 30 cm.
Per applicazioni particolari, come ad esempio ambienti ostili, è prevista la copertura a protezione del trasduttore con strati sottili, acusticamente e/o termicamente trasparenti, come fogli di “Mylar” sulla parte anteriore, mentre è previsto l’impiego di materiali acusticamente assorbenti, come ad esempio spugne o schiume, sulla parte posteriore per limitare l’effetto delle riflessioni indesiderate.
Per altre applicazioni particolari, come ad esempio mezzi liquidi, preferibilmente ambienti acquosi, il trasduttore conformato a spirale viene isolato elettricamente mediante deposizione di strati sottili di polimero isolante ed idrorepellente, ad esempio polissilossani, di spessore compreso fra 500 µm a 1 mm, preferibilmente fra 100 µm a 500 µm, ancor più preferibilmente fra 1 µm a 100 µm, al fine di evitare cortocircuiti elettrici fra le due armature del trasduttore.
Parte o tutta l’elettronica di trasmissione e ricezione e condizionamento del segnale del trasduttore a forma di spirale può essere di tipo analogico o analogico/digitale.
Uno o più trasduttori secondo l’invenzione possono essere impiegati per rilevare la forma di un fascio di radiazioni infrarosse.
Un metodo per rilevare le caratteristiche di un fascio di radiazioni infrarosse prevede gli stadi seguenti:
● Posizionare la superficie della lamina del trasduttore in direzione normale alla direzione di propagazione del fascio di radiazione. ● Alternativamente esporre o non esporre la lamina sottile conformata a spirale alla radiazione incidente utilizzando o una radiazione controllata o un dispositivo meccanico tipo ‘shutter’. Rilevare il segnale piroelettrico generato dalla variazione di polarizzazione elettrica causata dalla variazione termica tra le superfici del trasduttore utilizzando un sistema elettronico di acquisizione ad esempio di tipo analogico noto all’esperto del ramo come ‘amplificatore di carica’.
● A partire dal segnale piroelettrico, è possibile analizzare in modo diretto l’intensità del fascio incidente utilizzando il massimo valore della risposta piroelettrica per la misura dell’energia dell’impulso laser come noto in Pullano SA, et al. (Sensors 2017, 17, 850) impiegando un amplificatore di carica, ovvero un circuito elettronico capace di convertire la carica piroelettrica in una tensione elettrica d’uscita misurabile. In aggiunta, a partire dal segnale piroelettrico, è possibile misurare in modo indiretto la temperatura assoluta della lamina sottile che è funzione della energia termica propria. Nel particolare, la risposta piroelettrica ad un impulso radiativo incidente sulla lamina è espressa secondo una legge proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta della lamina stessa, utilizzando un amplificatore di carica, ovvero un circuito elettronico capace di convertire la carica piroelettrica in una tensione elettrica d’uscita misurabile (Pullano SA, et al. Sensors 2017, 17, 850).
● Acquisire informazioni sugli andamenti termici a cui è stata sottoposta la lamina stessa.
Nota la temperatura assoluta della lamina sottile, è possibile compensare eventuali variazioni delle proprietà fisiche del mezzo di propagazione del fascio di radiazione, ad esempio, variazioni della velocità di propagazione del fascio ultrasonico nel mezzo acustico, oppure ad esempio variazioni di densità sia del mezzo acustico sia della lamina piezoelettrica conformata a spirale.
In un sistema di trasduzione ultrasonica, uno o più trasduttori conformati a spirale possono essere collegati all’apparato elettronico per la trasmissione o ricezione di vibrazioni acustiche. La seguente descrizione riguarda una specifica implementazione allo scopo di descrivere gli aspetti innovativi della presente invenzione. Tuttavia, l’esperto del ramo potrà facilmente notare come le seguenti informazioni possono essere implementate in un qualsiasi dispositivo, apparato o sistema per la trasmissione o il rilevamento ultrasonico nell’intervallo di frequenze descritto. Tali forme di attuazione possono essere incluse o associate a una varietà di apparati elettronici come, ma non limitati a: sistemi per il rilevamento di oggetti allo scopo di determinarne la posizione e localizzare potenziali ostacoli, come ad esempio su veicoli di trasporto impiegati in catene di produzione industriale, robot multifunzionali o, in applicazioni a carattere biomedico, in apparati di ausilio per soggetti ipovedenti al fine di migliorarne la deambulazione in ambienti strutturati.
Un apparato di trasmissione può includere un circuito in grado di supplire un segnale di eccitazione con frequenza pari alla frequenza di risonanza, e con un’ampiezza tale da generare un’onda acustica in aria. Un esempio di apparato elettronico di trasmissione (Fig.7) è realizzato mediante uso di un generatore di segnale 13, preferibilmente sinusoidale, uno o più stadi di amplificazione 14-15, ed uno stadio elevatore di tensione 16 in grado di fornire un segnale di ampiezza di qualche centinaio di Volt con frequenza pari alla frequenza di risonanza del trasduttore 17.
Un apparato elettronico di ricezione (Fig.8) è realizzato al fine di convertire in segnale elettrico le vibrazioni meccaniche di uno o più trasduttori conformati a spirale nell’intervallo di frequenze desiderato. Siffatti segnali possono essere condizionati da un circuito ricevitore costituito da uno stadio di amplificazione a basso rumore 18 connesso al trasduttore 17 mediante cavo coassiale 14. Inoltre, il circuito è dotato di un blocco di filtraggio di tipo passa-banda 19, ed uno stadio finale di amplificazione 20
Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un dispositivo trasduttore ultrasonico avente una larga banda preferibilmente superiore a 10 kHz, più preferibilmente superiore a 20 kHz, ancor più preferibilmente superiore a 40 kHz. A tale riguardo, i trasduttori piezopolimerici ad ultrasuoni attualmente in uso sono risultati soddisfacenti in termini di larghezza di banda fino a 10 kHz. Altro vantaggio del trasduttore conformato a spirale riguarda la sua capacità di trasmettere e/o ricevere segnali ultrasonici omnidirezionalmente (ovvero con angolo del fascio di radiazione di 360°) sia nel piano orizzontale che nel piano verticale, a differenza degli attuali dispositivi ad ultrasuoni piezopolimerici (aventi angoli di radiazione ad esempio compresi tra 50° e 80°) che necessitano di essere utilizzati in forma di array per garantire la stesse proprietà di omnidirezionalità. Per conseguenza, il trasduttore a spirale comporta ulteriori vantaggi in termini di costo, consumo di potenza e riduzione delle dimensioni.
Il trasduttore conformato a spirale può essere utilizzato per la misurazione di parametri in campo biomedico utili, come ad esempio, ai fini della valutazione e riabilitazione di soggetti ipovedenti. In particolare, uno o più trasduttori possono far parte di un sistema più ampio detto ‘bastone guida’ in grado di rilevare la presenza di un ostacolo, ed allertare l’utente ipovedente durante la normale deambulazione mediante vibrazione e/o segnale sonoro.
Nel seguito, la presente invenzione verrà descritta più completamente con riferimento alle figure e ai disegni allegati, in cui sono mostrate forme di realizzazione esemplificative. La presente invenzione può tuttavia essere realizzata in maniera differente e non dovrebbe essere interpretata come limitata alle forme di realizzazione esemplificative qui esposte. Piuttosto, queste forme di realizzazione sono fornite affinché la descrizione sia completa e trasmetta pienamente l'ambito dell'invenzione a coloro che sono esperti nel settore. Nei disegni, le lunghezze e le dimensioni possono essere esagerate per chiarezza.
Con particolare riferimento alle Figure 1-2 è mostrato il film conformato a spirale di Fibonacci secondo l’invenzione. Il film sottile rappresentato in sezione in Fig. 1 e in prospettiva in Fig. 2 può avere uno spessore compreso preferibilmente tra 9 µm e 110 µm, molto più preferibilmente tra 28 µm e 52 µm, ancor più preferibilmente tra 28 µm e 40 µm. Nel caso di materiali rigidi preformati può variare notevolmente lo spessore, finanche al millimetro ed oltre, ma non le altre dimensioni che impongono la forma a spirale. La lamina è metallizzata su entrambe le facce con alluminio od altri materiali conduttori, anche multistrati. Le due estremità della lamina 2 e 3 possono essere connesse ad un supporto, ad esempio il supporto 4, incollate con resina epossidica rapida, ad esempio prodotto dalla RS Components o dalla Loctite.
In Fig.3 è mostrata una vista prospettica di un supporto 4 per il trasduttore delle Fig.1 e 2. La lamina sottile 1, con le estremità 2 e 3 rigidamente vincolate, viene così fissata al supporto 4 in materiale plastico, preferibilmente polimero termoplastico ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene) oppure PLA (acido polilattico), conferendo alla lamina di polimero una forma a spirale, preferibilmente conformata secondo la spirale di Fibonacci. In aggiunta, la lamina sottile 1 è fissata tramite una connessione conduttiva a due elettrodi uguali (non mostrati) in rame o materiale equivalente, come noto all’esperto del ramo, utilizzando resina epossidica caricata in argento, ad esempio “adesivo conduttivo, epossidico, Argento cod.186-3616” prodotto dalla RS Components.
Il trasduttore singolo si presenta come nella vista in sezione di Fig.1 e in prospettiva in Fig.2. Il supporto plastico 4 comprende i sostegni 4a e 4b paralleli fra loro e conformati a spirale per alloggiare la lamina 1, fissati a due elementi allungati 21a e 21b in cui sono realizzate due sedi 5 e 5’ per l’accoglimento delle estremità 2 e 3 della lamina 1, al fine di garantire il passaggio del film sottile (operazione antecedente all’incollaggio mediante uso di resina epossidica rapida).
La dimensione L della lunghezza della lamina sottile 1 viene stabilita in base alla banda di frequenze che deve possedere il trasduttore. Ad esempio, alla banda di frequenze compresa tra 20 kHz e 100 kHz corrisponde una lamina avente lunghezza preferibilmente pari a 5 cm (centimetri).
L’altezza della lamina 1 dipende dalla sensibilità e dalla forma del lobo di radiazione che si desidera ottenere. Ad esempio, con un’altezza preferibilmente di 3 mm si possono ottenere in aria buoni segnali eco da riflettori piani fino ad una distanza di 30 cm.
In Fig. 4 è mostrata una vista prospettica di un altro supporto 6 per il trasduttore conformato a spirale. Il supporto 6 in materiale plastico, preferibilmente polimero termoplastico ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene) oppure PLA (acido polilattico), conferisce alla lamina di polimero piezoelettrico una forma a spirale, preferibilmente una spirale di Fibonacci. Tale supporto 6 comprende i sostegni 6a e 6b, paralleli fra loro e conformati a spirale per alloggiare la lamina 1, inoltre presenta due sedi per l’accoglimento della lamina sottile. Per l’estremità 3 è previsto un elemento allungato 21c simile a quelli illustrati in Fig.3, in cui è ricavata una sede 5” nella quale è fissata l’estremità 3 con un l’incollaggio con resina epossidica rapida, ad esempio adesivo epossidico prodotto dalla RS Components o dalla Loctite.
L’estremità 2 del film sottile è inserita all’interno degli elementi vincolanti e contrapposti 7 e 8 conformati tra loro in modo da ricavare una sede 10 a doppia C per l’alloggiamento dell’estremità 2 della lamina 1 e nei quali è realizzato un fissaggio ‘a pressione’. Tale fissaggio è messo in atto alloggiando il film sottile nella fessura 10 degli elementi vincolanti e contrapposti 7 e 8. In aggiunta, la lamina sottile 1 è fissata tramite una connessione conduttiva a due elettrodi uguali (non mostrati) in rame o materiale equivalente, come noto all’esperto del ramo, utilizzando resina epossidica caricata in argento, ad esempio “adesivo conduttivo, epossidico, Argento cod.186-3616” prodotto dalla RS Components.
In Fig. 5 è rappresentato ciascun elemento vincolante 7 con la relativa fessura 10 per l’alloggiamento del film sottile 1. Il contatto elettrico di ciascuna faccia della lamina sottile è infine realizzato mediante l’inserimento nel foro passante 9 dell’estremità 11’ dei piedini 11, rappresentati in Fig.6. Analogo foro passante 9 è realizzato nell’elemento vincolante 8.
I piedini 11, rappresentati in Fig. 6, sono di fatto degli elettrodi e sono realizzabili in metallo o lega di metallo o altro materiale equivalente, la loro sezione non è limitante e può essere quadrata, rettangolare, circolare o ellissoidale, conformandosi a quella dei fori passanti 9, anch’essi di sezione non limitante. I piedini 11 hanno preferibilmente una forma appuntita nell’estremità opposta all’estremità 11’.
Il ruolo di ciascun piedino metallico è quello di stabilire un contatto elettrico ‘a pressione’ con una delle due facce della lamina sottile. Ciascun piedino 11 presenta un ispessimento 12 al fine di determinare il bloccaggio ad incastro dello stesso all’interno di ciascuno degli elementi vincolanti allungati e contrapposti 7 e 8.
Il circuito in Fig. 7 rappresenta l’elettronica di condizionamento al fine di eccitare nell’intervallo di frequenza desiderato, preferibilmente 20 kHz – 100 kHz, il trasduttore conformato a spirale. In particolare, siffatto circuito consta di un generatore di segnale 13, preferibilmente sinusoidale, un cavo coassiale 14, uno stadio di amplificazione 15, ed uno stadio elevatore 16 al fine di fornire un segnale oscillante ad elevato voltaggio determinando la vibrazione del trasduttore 17.
Il circuito in Fig. 8 rappresenta l’elettronica di condizionamento per il segnale di eco ricevuto dal trasduttore conformato a spirale nell’intervallo di frequenze desiderato, preferibilmente basse frequenze ultrasonore da 20 kHz a 100 kHz. Il siffatto circuito è costituito da uno stadio di amplificazione a basso rumore 18 connesso al trasduttore 17 mediante cavo coassiale 14. Inoltre, il circuito è dotato di un blocco di filtraggio di tipo passa-banda 19, ed uno stadio finale di amplificazione 20 al fine di ottenere segnali eco misurabili e maneggiabili.
Le particolari forma di realizzazione qui descritte non devono essere intese come limitative della portata della presente invenzione.
Claims (10)
- Rivendicazioni 1. Trasduttore comprendente una lamina in forma di film sottile (1) di lunghezza L e con estremità (2) e (3) avvolta a spirale lungo il proprio asse longitudinale.
- 2. Trasduttore secondo la rivendicazione 1 in cui la spirale è scelta fra: spirale logaritmica, spirale di Archimede, spirale di Fibonacci.
- 3. Trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-2 realizzata in un materiale piezoelettrico e piroelettrico.
- 4. Trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3 comprendente ulteriormente un supporto (4) che comprende sostegni (4a) e (4b) sostanzialmente paralleli fra loro, conformati a spirale e fissati a due elementi allungati (21a) e (21b) in cui sono realizzate due sedi (5) e (5’) per l’accoglimento e il fissaggio delle estremità (2) e (3) della lamina (1), la lamina sottile (1) essendo a sua volta fissata a due elettrodi tramite una connessione conduttiva.
- 5. Trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3 comprendente ulteriormente un supporto (6) che comprende sostegni (6a) e (6b) sostanzialmente paralleli fra loro, conformati a spirale e fissati ad un primo ed un secondo sostegno, il primo sostegno essendo un elemento allungato (21c) in cui è realizzata una sede (5”) per l’accoglimento e il fissaggio dell’estremità (3) della lamina (1); il secondo sostegno comprendendo due elementi vincolanti e contrapposti (7) e (8) conformati in modo da ricavare una sede (10) a doppia C per l’inserimento e fissaggio a pressione dell’estremità (2) della lamina (1).
- 6. Trasduttore secondo la rivendicazione 5 in cui gli elementi vincolanti (7) e (8) recano fori passanti (9) per alloggiare le estremità (11’) di conduttori (11).
- 7. Dispositivo comprendente uno o più trasduttori secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6.
- 8. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente che è un trasmettitore o un ricevitore.
- 9. Metodo per rilevare la forma di un fascio di radiazioni infrarosse, caratterizzato dal fatto di utilizzare una pluralità di trasduttori secondo le rivendicazioni 1-6, Detto metodo comprendente gli stadi seguenti: ● Posizionare la superficie della lamina del trasduttore in direzione normale alla direzione di propagazione del fascio di radiazione; ● alternativamente esporre o non esporre la lamina conformata a spirale alla radiazione incidente e rilevare il segnale piroelettrico generato da una variazione di polarizzazione elettrica causata dalla conseguente variazione termica tra le superfici del trasduttore; ● analizzare in modo diretto l’intensità del fascio incidente utilizzando il massimo valore della risposta piroelettrica da una misura dell’energia dell’impulso laser oppure, a partire dal segnale piroelettrico, misurare in modo indiretto la temperatura assoluta della lamina per acquisire informazioni sugli andamenti termici a cui è stata sottoposta la lamina stessa.
- 10. Lamina in forma di film sottile (1) di lunghezza L e con estremità (2) e (3) avvolta a spirale lungo il proprio asse longitudinale per realizzare un trasduttore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6.
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