ITCE20120003A1 - Sensore di forza e/o pressione multi-punto - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda il settore dei sensori, ed in particolare si riferisce ad un sensore multi-punto in grado di individuare il punto di contatto tra un oggetto esterno e detto sensore e contemporaneamente di misurare la forza e/o la pressione applicata a detto punto.

I campi di applicazione di un tale sensore riguardano prevalentemente l'elettronica di consumo, l’automazione, la robotica di servizio, la sicurezza, la realtà virtuale, nonché l'intrattenimento. In dettaglio, l'idea brevettuale proposta nasce dall'esigenza di migliorare le interfacce interattive tra l'uomo e i dispositivi elettronici di uso comune. Negli ultimi anni smartphone, tablet e dispositivi multimediali in genere sono diventati sempre più popolari grazie anche alle nuove funzionalità e applicazioni che implementano. L'interazione con questi dispositivi passa attraverso l'utilizzo di interfacce sempre più avanzate. Tra le tecnologie più diffuse e interessanti ci sono i touchpad e i touchscreen.

Un ulteriore campo applicativo è quello dell'automazione industriale e di servizio, in quanto l'idea oggetto di questa domanda può essere utilizzata anche per la realizzazione di pelli artificiali per applicazioni di robotica o ancora per realizzare superfici sensibili al contatto con oggetti esterni.

Un altro campo applicativo è quello della sicurezza in cui l'idea proposta può essere usata per realizzare superfici ampie sensibili in maniera diversa a seconda dell'oggetto, della persona o dell'animale con cui entra in contatto e quindi distinguere un caso reale di intrusione (persone) da uno falso (animali od oggetti inanimati).

Un ulteriore campo applicativo è quello dell'intrattenimento e delia realtà virtuale in quanto è possibile creare interfacce nuove ed economiche per videogiochi e per l'interazione con ambienti simulati virtuali.

Lo svantaggio principale dei dispositivi attualmente in commercio è legata al fatto che essi determinano solo il punto di contatto ma non l'intensità della forza e/o della pressione.

Dal punto di vista della ricerca è possibile trovare alcune soluzioni che cercano di risolvere il problema appena discusso con dispositivi particolarmente complessi, costosi, ingombranti e che utilizzano svariate tecnologie.

Nel sensore descritto in US46Q9816 viene presentata una soluzione in cui fibre ottiche sono posizionate su quattro strati separati in maniera che le fibre ottiche dei primi due strati siano parallele tra loro e separate da un piccolo strato elastico, e le fibre ottiche del terzo e del quarto strato siano anch'esse parallele tra loro e separate da un piccolo strato elastico allo stesso modo dei primi due strati. I primi due strati vengono poi assemblati con il terzo e il quarto in modo da essere tra loro ortogonali. Quando una forza esterna viene applicata in un punto del sensore, la deformazione locale dello strato elastico causa un contatto tra le fibre ottiche dei primi due strati e tra quelle del terzo e del quarto strato, che genera una variazione dell'accoppiamento ottico tra le fibre ottiche in modo che una parte della luce passa dalla fibra ottica di uno strato a quella parallela dello strato immediatamente vicino. Questa variazione può essere misurata illuminando le fibre ottiche di uno strato e misurando la luce che, per effetto dell’accoppiamento, passa nello strato parallelo immediatamente vicino. Misurando tale variazione sia per i primi due strati che per il terzo e il quarto strato è possibile risalire al punto di contatto e alla forza di contatto.

Lo svantaggio principale di tale soluzione è legato al fatto che la luce che, per effetto dell'accoppiamento, passa da uno strato all'altro è minima e quindi la sensibilità è bassa e il funzionamento è limitato solo a grandi variazioni della forza applicata.

Un ulteriore svantaggio è che per ottenere una misura completa deve presentarsi contemporaneamente un accoppiamento tra le fibre ottiche dei primi due strati e le fibre ottiche del terzo e quarto strato. Applicando la forza da un lato rispetto ai quattro strati che formano il sensore, per ottenere una misura significativa per i due strati inferiori, l’intensità della forza esterna dovrà essere significativamente elevata al punto tale che può danneggiare i due strati superiori.

Un altro svantaggio è l'effetto soglia dovuto al fatto che, quando una forza è applicata da un lato rispetto ai quattro strati di fibre ottiche, esiste un intervallo iniziale di intensità di forza per cui i primi due strati più vicini al punto di applicazione restituiscono una misura, mentre i due strati più lontani non restituiscono nessuna misura, rendendo impossibile la misura delle forza quando la sua intensità è compresa in questo intervallo.

Un ulteriore svantaggio è legato al fatto che per valori elevati di forza applicata, l'accoppiamento ottico potrebbe avvenire anche tra il secondo e il terzo strato rendendo il sensore inutilizzabile.

Infine, l'utilizzo di quattro strati di fibre ottiche più gli strati deformabili rende lo spessore complessivo dei sensore proposto grande al punto da renderlo non attrattivo per applicazioni di elettronica di consumo.

La soluzione presentata in US4733068 si basa sempre sul principio di accoppiare uno strato di fibre ottiche con un secondo strato. In questa soluzione gli strati sono solo due ed ortogonali tra loro. In questo caso, per superare la limitazione della sensibilità, gli inventori inseriscono uno strato morbido tra gli strati di fibre ottiche e modificano localmente le fibre ottiche in corrispondenza degli incroci (per esempio con fori, abrasioni o altre soluzioni meccaniche) per aumentare la parte di luce che per accoppiamento passa da una fibra ottica a quella ortogonale, per effetto di una forza esterna applicata al sensore. Uno strato di fibre ottiche è illuminato e la luce che per accoppiamento passa nel secondo strato ortogonale viene misurata. Siccome è misurata solo la luce in uno strato, per identificare il punto dì contatto, l'interrogazione avviene mediante tecniche in multiplexing cioè illuminando le fibre ottiche una per volta in sequenza.

Uno svantaggio di tale soluzione è legato ai costi notevolmente elevati per modificare localmente le fibre ottiche al fine di aumentare la sensibilità e inoltre, tali modifiche indeboliscono la fibra ottica rendendola facilmente soggetta a rottura.

Un ulteriore svantaggio è dovuto ai fatto che poiché per stimare il punto di contatto si usano tecniche in multiplexing, l'elettronica di condizionamento è più complessa, più costosa e l'interrogazione diventa lenta quando il numero di punti di misura aumenta, rendendo il sensore inadatto in applicazioni in cui è richiesta una risposta veloce.

Nel brevetto US4901584, è presentata una soluzione molto simile a quella in US4733068. Sono considerati sempre due strati di fibre ottiche tali che a seconda della pressione esterna applicata cambia la superficie di contatto tra i due strati e di conseguenza l'accoppiamento ottico tra essi. In questo caso non sono previste modifiche meccaniche locali delle fibre ottiche. Anche in questo caso, siccome è misurata solo la luce in uno strato, per identificare il punto di contatto, l'illuminazione delle fibre ottiche deve avvenire in maniera sequenziale.

Lo svantaggio principale è sempre legato al fatto che fa luce che, per effetto dell'accoppiamento, passa da uno strato all’altro è minima e quindi la sensibilità è bassa e il funzionamento è limitato solo a grandi variazioni della forza applicata.

Un ulteriore svantaggio è legato all'elettronica di condizionamento che, dovendo implementare tecniche in multiplexing, è più complessa, più costosa e l'interrogazione diventa lenta quando il numero di punti di misura aumenta, rendendo il sensore inadatto in applicazioni in cui è richiesta una risposta veloce.

Scopo della presente invenzione è quello di superare detti svantaggi, ed in particolare ottenere un sensore con una sensibilità elevata, mantenendo uno spessore ed un costo ridotto e una elettronica di condizionamento semplice e poco costosa.

La soluzione proposta nella presente invenzione sfrutta un principio completamente diverso, in quanto si basa sulle perdite di luce legate alla variazione del raggio di curvatura delle fibre ottiche. Le perdite nelle fibre ottiche sono dovute principalmente ad assorbimento, diffusione e piegatura. Queste ultime, che sono utilizzate nel sensore proposto, sono dovute ad una piegatura locale della fibra ottica che permette ad una parte delia luce, normalmente confinata nella parte centrale della fibra ottica (chiamato core), di fuoriuscire dal core della fibra ottica attraversando il rivestimento esterno (chiamato cladding) e disperdendosi in aria. Più in dettaglio, se il raggio di curvatura è tale che ad un certo punto sulla parete che separa il core dal cladding la condizione di riflessione interna totale non è più soddisfatta una parte della luce diventa in grado di penetrare il cladding e raggiungere l'esterno della fibra ottica, disperdendosi. L'invenzione si basa sull’idea di incrociare due strati di fibre ottiche insieme per dare loro una curvatura iniziale in modo tale da ottenere un numero di punti (coincidenti con gli incroci) sensibili a forze e/o pressioni esterne. Detta curvatura iniziale serve a portare le fibre ottiche a lavorare in condizioni di partenza tali che per piccoli spostamenti (legati alle forze e/o pressioni esterne) si abbiano variazioni delle perdite per piegatura sufficienti per essere misurate.

Le/fibre ottiche vengono opportunamente intrecciate meccanicamente per sfruttare il fenomeno delle perdite al fine di ottenere un sensore multi-punto che permette di stimare sia il punto di contatto sìa l'intensità della forza e/o della pressione. Inoltre, l'uso di fibre ottiche permette di mantenere uno spessore limitato per la soluzione proposta.

In particolare, la presente invenzione consiste in un sensore costituito da un primo strato di fibre ottiche parallele tra loro e un secondo strato di fibre ottiche parallele tra loro ed ortogonali alle fibre ottiche di detto primo strato. Ogni fibra ottica di detto primo strato interseca tutte le fibre ottiche di detto secondo strato passando in maniera alternata sopra e sotto le fibre ottiche che costituiscono detto secondo strato. Contemporaneamente, ogni fibra ottica di detto secondo strato interseca tutte le fibre ottiche di detto primo strato passando in maniera alternata sopra e sotto le fibre ottiche che costituiscono detto primo strato. Tutte le fibre ottiche vengono messe in tensione. A seconda della distanza tra le fibre ottiche che costituiscono i due strati, in ogni intersezione le fibre ottiche raggiungono una curvatura iniziale. Detta curvatura iniziale serve a rendere l'incrocio sensibile a spostamenti legati a forze e/o pressioni esterne che agiscono sull'incrocio. Detti spostamenti alterano in minima parte la curvatura facendo variare le perdite per piegamento in maniera sufficiente per essere misurate grazie al fatto che le fibre ottiche lavorano a partire da una condizione iniziale in cui sono già in parte piegate. La struttura complessiva ottenuta dall'intersezione di detto primo strato e detto secondo strato avrà un numero di punti sensibili pari al numero di intersezioni. Il numero di dette intersezioni è pari al prodotto del numero di fibre ottiche che costituiscono detto primo strato per il numero di fibre ottiche che costituiscono detto secondo strato. Tutte le fibre ottiche vengono illuminate da un lato e la luce che attraversa detta struttura complessiva viene ricevuta e misurata contemporaneamente per ogni fibra ottica dal lato opposto (interrogazione in trasmissione). Quando una forza e/o una pressione agisce su un incrocio alterando anche di poco la curvatura iniziale delle fibre che formano detto incrocio, le misure effettuate su tutte le fibre presentano una variazione solo per le fibre che formano detto incrocio, permettendo di individuare il punto di contatto. Inoltre l'entità delle variazioni misurate è legata alle variazioni delle perdite per piegamento dovute alle variazioni di curvatura a loro volta legate all'intensità della forza e/o pressione esterna applicata. In questo modo è possibile calcolare, dopo un'opportuna calibrazione, anche l'ampiezza della forza e/o pressione che agisce in detto punto di contatto.

Secondo l'invenzione le fibre ottiche possono essere troncate da un lato in modo che l'estremo troncato rifletta totalmente o parzialmente la luce che lo raggiunge. In questo modo le fibre ottiche vengono illuminate da un lato e la luce attraversa detta struttura complessiva una prima volta e poi dopo la riflessione all'estremo troncato attraversa una seconda volta detta struttura complessiva e la misura viene effettuata dalla stesso lato in cui le fibre ottiche sono illuminate (interrogazione in riflessione).

Ancora secondo l'invenzione detta struttura complessiva può essere appoggiata e/o incollata su uno strato deformabile, o in mezzo a due strati deformabili.

Ulteriormente, detta struttura complessiva può essere inglobata e/o annegata e/o integrata in uno strato deformabile.

Infine, a seconda dell'invenzione, una o più fibre ottiche di detto primo strato o di detto secondo strato possono essere sostituite con un altro oggetto con la stessa funzionalità meccanica.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma di realizzazione, con particolare riferimento alle figure allegate, in cui:

la figura 1 mostra una vista dall'alto di come è realizzata la struttura complessiva di fibre ottiche che costituisce il sensore;

le figure 2 e 3 mostrano una sezione di come è realizzata la struttura complessiva di fibre ottiche che costituisce il sensore e come cambia per effetto della forza esterna;

la figura 4 mostra una vista tridimensionale di una parte della struttura complessiva di fibre ottiche che costituisce il sensore;

la figura 5 mostra un grafico che chiarisce il legame tra le perdite di potenza misurate e la curvatura delle fibre ottiche.

Con particolare riferimento alla figura 1, essa mostra un possibile schema di realizzazione per il sensore oggetto di questa invenzione. In generale, incrociando ortogonalmente un primo strato costituito da n fibre ottiche parallele con un secondo strato costituito da m fibre ottiche parallele è possibile realizzare un sensore con n<χ>m punti sensibili. Ogni fibra ottica di detto primo strato interseca tutte le fibre ottiche di detto secondo strato passando in maniera alternata sopra e sotto le fibre ottiche che costituiscono detto secondo strato. Contemporaneamente, ogni fibra ottica di detto secondo strato interseca tutte le fibre ottiche di detto primo strato passando in maniera alternata sopra e sotto le fibre ottiche che costituiscono detto primo strato. A titolo illustrativo, ma non limitativo, in figura 1 il primo strato è costituito da quattro fibre ottiche 1, 2, 3, 4, e il secondo strato ortogonale da altre quattro fibre ottiche 5, 6, 7, 8 ottenendo una matrice di 4 x 4 punti sensibili.

La fibra ottica 1 incrocia prima la fibra ottica 5 passando sotto e formando l'incrocio 9, poi incrocia la fibra ottica 6 passando sopra e formando l'incrocio 10, mentre la fibra ottica 2 incrocia prima la fibra ottica 5 passando sopra e formando l'incrocio 11 e poi la fibra ottica 6 passando sotto e così via. La curvatura assunta da ogni singola fibra in ogni incrocio dipende dalla distanza 12 tra le fibre ottiche che costituiscono il primo strato e la distanza 13 tra le fibre ottiche che costituiscono il secondo strato. A titolo illustrativo, ma non limitativo, in questa descrizione le distanze 12 e 13 sono considerate uguali.

La struttura complessa o maglia di fibre ottiche così ottenuta si trova in uno stato iniziale taie che, se non ci sono forze e/o pressioni applicate al sensore, tutte le fibre ottiche hanno la stessa curvatura totale, equivalente alia somma delle curvature in ciascun incrocio, e quindi presentano le stesse perdite per piegatura, pari alla somma delle perdite in ciascun incrocio. Illuminando ciascuna fibra ottica da un lato con una sorgente luminosa, una parte della luce che attraversa la maglia sarà persa a causa della curvatura iniziale della fibra ottica e una parte raggiungerà l'altro estremo dove è possibile misurarla con un ricevitore ottico. Ogni ricevitore misurerà la potenza ottica associata alla parte di luce che lo raggiunge. Nello stato iniziale, senza forze e/o pressioni esterne applicate al sensore, ogni ricevitore misurerà una certa potenza ottica iniziale. La struttura complessiva può essere appoggiata e/o incollata su uno strato deformabile elasticamente 14, che serve a trasdurre la forza esterna applicata ad un incrocio in uno spostamento di detto incrocio mediante la sua costante elastica.

In dettaglio, il principio di funzionamento per misurare il punto di contatto e l'intensità della forza e/o della pressione con detta struttura complessiva di fibre ottiche, può essere spiegato facendo riferimento ad un singolo incrocio di cui è riportata una vista in sezione in figura 2 e figura 3. La figura 2 riporta una sezione delia fibra ottica 2, della sua curvatura iniziale 16, determinata dalla distanza 13, e della sua intersezione con le fibre ottiche 5, 6, 7. La figura 3 riporta una sezione dello stesso incrocio quando una forza esterna 15 viene applicata su detto incrocio cambiando la sua curvatura in quella riportata come 17. Quando una forza esterna 15 viene applicata nella direzione ortogonale al piano contenente la maglia di fibre ottiche ed in particolare sull'incrocio riportato in figura 2 e in figura 3, il tratto di fibra ottica che passa sopra subisce un aumento locale del raggio di curvatura rispetto alla sua curvatura iniziale 16 e di conseguenza una riduzione delle perdite per piegatura (la fibra interessata a questo effetto è la fibra ottica 6), mentre il tratto di fibra ottica che passa sotto (in questo caso la fibra ottica 2} subisce una diminuzione locale del raggio di curvatura (indicato come 17 nella figura 3) rispetto alla sua curvatura iniziale 16 e di conseguenza un aumento delle perdite per piegatura. Dette variazioni di perdite per piegatura vengono rilevate dai ricevitori ottici che di conseguenza misurano una variazione della potenza ottica rispetto alla potenza ottica iniziale. Monitorando tutte le fibre ottiche contemporaneamente è possibile stimare le coordinate del punto di contatto rispetto alla maglia, identificando l'incrocio che presenta una variazione della potenza ottica misurata rispetto alla potenza ottica iniziale. L'identificazione dell'incrocio è fatta identificando la fibra ottica del primo strato e la fibra ottica del secondo strato che presentano una variazione della potenza ottica misurata rispetto alla potenza ottica iniziale. In aggiunta, la variazione di potenza misurata rispetto alla potenza iniziale sarà tanto maggiore quanto maggiori saranno le variazioni di curvatura rispetto alla curvatura iniziale delie fibre ottiche che costituiscono l'incrocio su cui è applicata la forza e/o la pressione esterna. Essendo tali variazioni di curvatura dipendenti dall'intensità della forza e/o della pressione applicata, tale intensità può essere correlata alla variazione della potenza ottica misurata. La sensibilità rispetto alla forza e/o pressione esterna applicata dipende dalla curvatura iniziale delle fibre ottiche e/o dall'elasticità dello strato deformabile 14. La figura 4 mostra una vista tridimensionale dell'incrocio descritto in figura 2 e in figura 3, allo scopo di chiarire ulteriormente come è realizzato l'incrocio. La figura 5 riporta il rapporto tra potenza di uscita misurata da un ricevitore ottico, posto ad un estremo di una fibra ottica, rispetto alla potenza in ingresso usata per illuminare detta fibra ottica dall'altro estremo. Questo legame serve a mostrare come è fondamentale che le fibre ottiche abbiano una curvatura iniziale, ottenuta grazie agli incroci, in modo che siano sensibili sempre anche a piccole variazioni di curvatura. Infatti, la figura 5 mostra che per raggi di curvatura troppo bassi o troppo alti (vedi tratti contrassegnati da 19) la relazione tra le variazioni di potenza e le variazioni del raggio di curvatura rende la sensibilità praticamente nulla. Di conseguenza, la curvatura iniziale delle fibre ottiche deve essere scelta in modo che la pendenza del rapporto tra potenza in uscita e potenza in ingresso sia sufficiente per ottenere la sensibilità richiesta al sensore. Dalle figure 1, 2, 3 e 4 è chiaro che, una volta scelto il tipo di fibra ottica che si vuole utilizzare, le distanze 12 e/o 13 tra le fibre ottiche incrociate sono i parametri fondamentali per la progettazione del sensore proposto. In particolare, un aumento delle distanze 12 e/o 13 implica un aumento del raggio di curvatura iniziale, mentre una diminuzione delle distanze 12 e/o 13 implica una riduzione del raggio di curvatura iniziale. Di conseguenza, la selezione del valore della distanze 12 e/o 13 deve essere fatta in modo da fissare, per ogni incrocio e per ogni fibra ottica, una curvatura iniziale appartenente alla regione identificata dalla zona 18 in figura 5, garantendo una buona sensibilità del sensore. Inoltre, le distanze 12 e/o 13 determinano anche la risoluzione fisica del sensore nella stima del punto di contatto. Usando tecniche di interpolazione software è possibile stimare il punto dì contatto con una risoluzione inferiore a quella fisica.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1 Un sensore di forza e/o pressione multì-punto costituito da: un primo strato di fibre ottiche parallele tra loro e da un secondo strato di fibre ottiche parallele tra loro ed ortogonali alle fibre ottiche di detto primo strato. Ogni fibra ottica di detto primo strato interseca tutte le fibre ottiche di detto secondo strato passando in maniera alternata sopra e sotto le fibre ottiche che costituiscono detto secondo strato. Contemporaneamente, ogni fibra ottica di detto secondo strato interseca tutte le fibre ottiche di detto primo strato passando in maniera alternata sopra e sotto le fibre ottiche che costituiscono detto primo strato. A seconda della distanza tra le fibre ottiche che costituiscono i due strati, in ogni intersezione le fibre ottiche raggiungono una curvatura iniziale. Detta curvatura iniziale è indispensabile a rendere l'incrocio sensibile a spostamenti anche minimi legati a forze e/o pressioni esterne che agiscono sull'incrocio. Detti spostamenti alterano in minima parte la curvatura facendo variare le perdite per piegamento in maniera sufficiente per essere misurate grazie al fatto che le fibre ottiche lavorano a partire da una condizione iniziale in cui sono già in parte piegate. La struttura complessiva ottenuta dall'intersezione di detto primo strato e detto secondo strato avrà un numero di punti sensibili pari al numero di intersezioni. Il numero di dette intersezioni è pari al prodotto del numero di fibre ottiche che costituiscono detto primo strato per il numero di fibre ottiche che costituiscono detto secondo strato. Tutte le fibre ottiche vengono illuminate da un iato e la luce che attraversa detta struttura complessiva viene ricevuta e misurata contemporaneamente per ogni fibra ottica dal iato opposto utilizzando tecniche di interrogazione in trasmissione.
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1 in cui le fibre ottiche vengono troncate da un lato in modo che l'estremo troncato rifletta totalmente o parzialmente la luce che lo raggiunge. In questo modo le fibre ottiche vengono illuminate da un iato e la luce attraversa detta struttura complessiva una prima volta e poi dopo la riflessione al l'estremo troncato attraversa una seconda volta detta struttura complessiva e la misura viene effettuata dalla stesso lato in cui ie fibre ottiche sono illuminate mediante tecniche di interrogazione in riflessione.
3. 3. Sensore secondo le rivendicazioni 1 e 2 appoggiato e/o incollato su uno strato deformabile.
4. 4. Sensore secondo le rivendicazioni 1 e 2 posizionato e/o incollato in mezzo a due strati deformabili.
5. 5. Sensore secondo le rivendicazioni 1 e 2 inglobato e/o annegato e/o integrato in uno strato deformabile.
6. 6. Sensore secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4 e 5 in cui lo strato deformabile è elastico, rigido o semi-rigido.
7. 7. Sensore secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5 e 6 in cui una o più fibre ottiche di detto primo strato o dì detto secondo strato sono sostituite con un altro oggetto con la stessa funzionalità meccanica.