NL8501908A

NL8501908A - Tastsensor.

Info

Publication number: NL8501908A
Application number: NL8501908A
Authority: NL
Original assignee: Tno
Priority date: 1985-07-03
Filing date: 1985-07-03
Publication date: 1987-02-02
Also published as: US4712037A; EP0212695A1; DE3672080D1; EP0212695B1

Description

N.0.33215 1

Aanvraagster noemt als uitvinders:

Dr. Pieter Wilhelmus Verbeek

Drs. Petrus Theodorus Antonius Klaase

Ir. Arne Theil.

Tastsensor.

De uitvinding heeft betrekking op een tastsensor omvattende een zendlaag en een daarop aangebrachte ontvanglaag uit piëzo-elektrisch materiaal, die voorzien zijn van elektroden voor het toevoeren en afnemen van elektrische signalen aan de zendlaag respectievelijk van de 5 ontvanglaag. Een transducent met een dergelijke zend- en ontvanglaag is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.356.422.

Bij deze transducent bestaat de zendlaag uit keramisch materiaal met piëzo-elektrische eigenschappen. De ontvanglaag bestaat daarentegen uit een piëzo-elektrisch polymeer. In de zendfase wordt door de zend-10 laag een akoestische golf via de kortgesloten ontvanglaag naar het daaraan grenzende medium uitgezonden, wanneer op de elektroden van de zendlaag een elektrische impulsgenerator met een geschikt gekozen ira-pulsduur wordt aangesloten. In de op de zendfase volgende ontvangfase wordt de uitgezonden akoestische golf na reflectie tegen het te onder-15 zoeken voorwerp door de ontvanglaag ontvangen, waardoor op de elektroden daarvan een elektrisch uitgangssignaal kan worden afgenomen. In deze ontvangfase is de zendlaag kortgesloten.

De bekende transducent werkt volgens het impuls-echoprincipe, waarbij steeds een minimum tijdsinterval tussen zendimpuls en ontvangen 20 impuls moet liggen. Bij toepassing van deze transducent als tastsensor moet er dan tussen het reflecterende voorwerp en de sensor een met dit tijdsinterval overeenkomende, minimale afstand bestaan.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een tastsensor van de in de aanhef genoemde soort, waarbij aan de afstand tussen sensor en 25 voorwerp geen ondergrens is gesteld.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt, doordat de som van de dikten van de zend- en ontvanglaag bij een hoge akoestische impedantie van het aan de zendlaag grenzende grensmedium en een lage akoestische impedantie van het aan de ontvanglaag grenzende grensmedium of om-30 gekeerd, een oneven aantal v/4f is en bij gelijksoortige, hetzij lage of hoge impedanties van de genoemde grensmedia de som een even aantal v/4f is, waarbij v de voortplantingssnelheid van de akoestische trilling is in het materiaal van de zend- en ontvanglaag en f de frequentie van het toegevoerde signaal is. Hierbij kan reeds tijdens het zenden ^ ^ * 3 Λ θ ^ V i v Ij £ % S » * _ ^ . ‘4 * ** ^ , ’ . ' * r λ Sl· ' . i ; «/ »»»*' 2 worden ontvangen.

Het grensmedium met een lage akoestische impedantie kan bijvoorbeeld lucht zijn. Op verrassende wijze is gevonden, dat wanneer tegen een aan de lucht grenzende laag een voorwerp wordt geplaatst, een veran-5 dering van de grootte van het uitgangssignaal optreedt, welke verandering als kriterium voor de aanwezigheid van het genoemde voorwerp kan worden gebruikt.

Wanneer geen voorwerp aanwezig is, treedt in de sensor een staande golf op, zodat geen energie uit de sensor naar buiten wordt afgegeven.

10 Wanneer er wel een voorwerp aanwezig is wordt de staande-golftoestand verstoord, waardoor de genoemde verandering van het uitgangssignaal ontstaat.

Onverwacht bleek ook dat bij sommige voorwerpen de verandering van het uitgangssignaal afhankelijk was van de kracht waarmee het voorwerp 15 tegen de sensor werd aangedrukt, of van de temperatuur van het voorwerp. Door gebruikmaking van het gedrag van deze voorwerpen is de sensor niet alleen geschikt als aanwezigheidsdetector maar ook als meet-waarde-gevoelige sensor.

Gevonden is dat de meetwaarde-afhankelijkheid van de sensor wordt 20 verbeterd, doordat de buitenzijde van de zend- of ontvanglaag grenst aan een medium met een lage of hoge, vaste akoestische impedantie en dat de ontvang- respectievelijk zendlaag aan het buitenvlak is voorzien van een meetwaarde-impedantie-omvormer ter bepaling van een fysische grootheid.

25 Een verbeterde gevoeligheid wordt ook bereikt, doordat de buiten zijden van de zend- en ontvanglaag voorzien zijn van een meetwaarde-impedantie-omvormer ter bepaling van een fysische grootheid.

Ook kan tussen zend- en ontvanglaag een meetwaarde-impedantie-omvormer ter bepaling van een fysische grootheid aanwezig zijn.

30 Bij een uitvoeringsvorm bestaat de meetwaarde-impedantie-omvormer · uit een aankoppellaag waarvan de akoestische impedantie afhankelijk is van de voor deze laag geldende waarde van de betreffende fysische grootheid. Bij voorkeur is de aankoppellaag vervaardigd uit een poreus of geschuimd materiaal.

35 Bij een andere uitvoeringsvorm bestaat de meetwaarde-impedantie- omvormer uit een aankoppellaag waarvan de aankoppelingsefficiëntie afhankelijk is van de op de betreffende laag uitgeoefende druk. Deze afhankelijkheid wordt bij voorkeur bereikt doordat het binnenvlak van de aankoppellaag geruwd of gegolfd is.

40 Een optimale gevoeligheid van de sensor met een variabele akoesti- ©501908 *1 * 3 sche impedantie van het grensmedium aan de ontvangzijde wordt bij een sensordikte van 1/4X, 1/2 λ, 3/4 X. of X van de akoestische golf bereikt, wanneer de dikteverhouding van zend- en ontvanglaag bij een grensmedium aan de zendlaag met een hoge akoestische impedantie respec-5 tievelijk zeer klein, 1:1, 1:4 en 4:1 en bij een grensmedium met een lage akoestische impedantie respectievelijk 1:1, 1:2, 2:1 en 1:1 is en bij een grensmedium met een betrekkelijk lage akoestische impedantie en een sensordikte van 1/2 λ of /\ , de dikteverhouding respectievelijk 2:3 en 1:1 bedraagt.

10 Bij weer een andere uitvoeringsvorm is tussen zend- en ontvanglaag een gemeenschappelijke elektrode aangebracht en zijn aan de buitenzijden van de zend- en ontvanglaag evenwijdige toevoer- respectievelijk afvoerelektrodebanen aanwezig, waarbij de toevoerelektrodebanen en de afvoerelektrodebanen elkaar in hoofdzaak loodrecht kruisen, aan welke 15 toevoerelektrodebanen achtereenvolgens zendsignalen worden toegevoerd, terwijl een uitleesinrichting aanwezig is die de afvoerelektrodebanen uitleest.

Gebleken is dat deze uitvoeringsvorm bijzonder video-compatibel is.

20 Bij een uitwerking van deze uitvoeringsvorm is een multiplexer aanwezig, via welke de zendsignalen uit een elektrische signaalbron worden afgeleid.

Bij een verdere uitwerking wordt de uitleesinrichting gevormd door een multiplexer.

25 Bij een andere verdere uitwerking is elke afvoerelektrodebaan via een detectorschakeling aangesloten op een integratorschakeling die na elke aftastperiode wordt teruggesteld, waarbij de uitgangen van de in-tegratorschakelingen parallel worden uitgelezen.

Ten behoeve van een goede afstemming tussen sensor en aanstuurbron 30 enerzijds en aftastinrichting anderzijds is een afstemspoel in serie of parallel aan de toevoer- en/of afvoerelektrodebaan aangesloten.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. In de tekeningen tonen: figuren la en b een uitvoeringsvorm van een λ/4-tastsensor vol- 35 gens de uitvinding respectievelijk de daarbij behorende amplitude van de akoestische staande golf in de tastsensor; figuren 2a, 2b en 2c respectievelijk een Λ/2-tastsensor volgens de uitvinding, de daarbij behorende amplituden van de akoestische staande golf en frequentiekarakteristieken; 40 figuren 3a en 3b een andere uitvoeringsvorm val de uitvinding res- 6331908 * 1* 4 pectievelijk de daarbij behorende amplitude van de akoestische staande golf in de tastsensor; figuur 4 nog een andere uitvoeringsvorm van de tastsensor volgens de uitvinding; 5 figuur 5 frequentiekarakteristieken van de tastsensor volgens de uitvinding; figuur 6 een uitvoeringsvorm van een tastsensorarray met serie-uitlezing; en figuur 7 een uitvoeringsvorm van een tastsensorarray met parallel-10 le uitlezing.

De tastsensor volgens figuur 1 bestaat uit een zendlaag 1 en een ontvanglaag 2 uit piëzo-elektrisch materiaal. Vele piëzo-elektrische materialen zijn reeds toegepast. Bij voorkeur wordt voor de tastsensor polyvinylideenfluoride (PVDF) met pi’ézo-elektrische eigenschappen toe-15 gepast, omdat PVDF duurzaam en goedkoop is en bovendien op eenvoudige wijze in dunne flexibele lagen kan worden uitgevoerd. Tussen de zenden ontvanglaag bevindt zich een gemeenschappelijke elektrode 3, welke onderdelen bijvoorbeeld op elkaar zijn gelijmd. De buitenzijde van de lagen 1 en 2 zijn voorzien van een zendelektrode 4 respectievelijk ont-20 vangelektrode 5, die door middel van lijmen, opdampen of andere geschikte methode kunnen worden aangebracht. Op de geaarde gemeenschappelijke elektrode 3 en de zendelektrode 4 is een elektrische signaalbron UI aangesloten, waardoor over de gemeenschappelijke elektrode 3 en de ontvangelektrode 5 een spanning V2 ontstaat. De dikte d van de zend- en 25 ontvanglaag tezamen en de frequentie van de signaalbron worden zodanig gekozen, dat een staande golf in de tastsensor wordt opgewekt.

Afhankelijk van de aan de zend- en ontvanglaag grenzende media 6 respectievelijk 7 kunnen diverse trillingsmodi van staande golven optreden. Wanneer aan de buitenzijde van de zendlaag een medium 6 of bac-30 king met een akoestische impedantie, die hoog is ten opzichte van die van het materiaal van de zendlaag grenst, ontstaat op de grenslaag een knoop. Een grensmedium 7 of fronting aan de ontvanglaag 2 met een lage akoestische impedantie gaat gepaard met een buik op de grenslaag van medium en ontvanglaag. Voor mogelijke trillingsmodi van de staande gol-35 ven in de tastsensor bestaat dan tussen de frequentie f van het signaal uit de signaalbron UI en de dikte d van de sensor, dat wil zeggen dikte zendlaag plus dikte ontvanglaag, de betrekking d = (2n +1)/4 . v/f. Hierbij is v de voortplantingssnelheid van de akoestische trilling in de tastsensor, terwijl n een getal 0, 1, 2, 3... is. Hetzelfde geldt 40 voor een lage akoestische impedantie aan de buitenzijde van de zendlaag Βύΰ i 9 ü c* .. ..........i-· i 5 en een hoge impedantie aan de buitenzijde van de ontvanglaag.

Aangezien v/f = X kan worden gesproken van 1/4 λ-triller voor n»0 en een 3/4 X-triller voor n = 1 enzovoort.

Wanneer de grensmedia 6 en 7 beide een akoestische impedantie heb-5 ben, die ten opzichte van de akoestische impedantie van de tastsensor laag is, ontstaan aan de grensovergangen buiken, terwijl bij twee hoge akoestische impedanties er knopen ontstaan. Voor bestaanbare trillings-modi geldt de betrekking d = 2.n/4 . v/f. Hierbij is n = 1, 2, 3....

Hier kan worden gesproken van een λ/2-triller voor η * 1, een A“tril-10 Ier voor n = 2 enzovoort.

In figuur 1 is een uitvoeringsvorm van een λ/4-tastsensor getoond. Als medium 6 is messing gekozen, dat zoals bekend een hoge akoestische impedantie heeft of akoestisch zwaar is. Het grensmedium 7 wordt gevormd door lucht. Lucht heeft een zeer lage akoestische impe-15 dantie (Z#0) ten opzichte van het materiaal PVDF van de tastsensor.

Het verloop van de staande golf is in figuur lb getoond.

Gevonden is dat wanneer een voorwerp op de ontvanglaag wordt aangebracht, een spanningsverandering over de ontvangelektrode 5 en de gemeenschappelijke elektrode 3 wordt gemeten. De inrichting van figuur 1 20 werkt dus als aanwezigheidssensor. Onverwacht is gebleken dat door variatie van de aandrukking van sommige voorwerpen tegen de ontvanglaag een corresponderende verandering van de spanning V2 over de elektroden 3 en 5 wordt gemeten. Behalve als aanwezigheidssensor kan de sensor ook worden gebruikt als sensor die gevoelig is voor een meetwaarde zoals 25 druk, schuifkrachten en temperatuur van het voorwerp.

De 1/2 X-tastsensor volgens figuur 2a omvat de zendlaag, de ontvanglaag 2 en de backing 6. De dikte van de zend- en ontvanglaag tezamen is gelijk aan 1/2 A van de akoestische golf, met andere woorden, v/2fw, waarbij v de voortplantingssnelheid van de akoestische golf in 30 de zend- en ontvanglaag is, terwijl fw de werkfrequentie of de frequentie van de elektrische signaalbron UI is. De backing 6 heeft een betrekkelijk lage akoestische Impedantie.

In de onbelaste toestand trilt de tastsensor in de A/2-mode. In deze mode treedt in de tastsensor een akoestische staande golf op, 35 waarvan de amplitude Cl in figuur 2b is getoond. Bij een constante uit-gangsspanning van de signaalbron UI die op de gemeenschappelijke elektrode 3 en de zendelektrode 4 is aangesloten, wordt door variatie van de frequentie van deze bron de in figuur 2c getoonde frequentiekarakte-ristiek kl verkregen. Deze frequentiekarakteristiek vertoont een reso-40 nantie bij de werkfrequentie fw* 550 1 90 8 * 5· 6

Wanneer een voorwerp dat zwaar is of een hoge akoestische impedantie heeft, tegen de ontvanglaag wordt aangebracht, treedt op het grensvlak van het voorwerp en de betreffende laag 2 een knoop op. Een aldus belaste tastsensor zal de neiging vertonen in de 1/4X -modus of de 5 3/4 λ-modus te trillen. De amplitude van de akoestische staande golf in de 1/4 λ-modus is in figuur 2b met C3 aangegeven, terwijl in de 3/4X -modus de in figuur 2b afgebeelde amplitude C4 optreedt. De fre-quentiekarakteristiek k2 van de tastsensor in de belaste toestand is met een onderbroken lijn in figuur 2c aangegeven.

10 De tastsensor wordt tijdens bedrijf met een constante frequentie, de werkfrequentie fw aangestuurd, zodat de tastsensor in de belaste toestand noch in de 1/4X-mode, noch in de 3/4X-mode kan trillen. Uit de frequentiekarakteristiek k2 van figuur 2c blijkt overigens, dat ook de 1/2X -mode door de genoemde belasting niet mogelijk is. De akoesti-15 sche golf in de tastsensor heeft dan de in figuur 2b getoonde amplitude C2, met als gevolg een zeer lage spanning V2 over de ontvangelektrode 5 en de gemeenschappelijke elektrode 3.

Voorts is ook gebleken dat de drukgevoeligheid kan worden vergroot door toepassing van een druk-impedantie-omvormer die grenst aan de bui-20 tenzijde van de zend- of ontvanglaag. Door een uitwendige druk op de omvormer uit te oefenen verandert de akoestische impedantie daarvan, waardoor een daarmee overeenkomende variatie van de spanning V2 over de elektroden 3 en 5 wordt gemeten.

In figuur 3 is een uitvoeringsvorm van een drukgevoelige tastsen-25 sor getoond, die weer bestaat uit de zendlaag 1, de ontvanglaag 2, de gemeenschappelijke elektrode 3, de zendelektrode 4, de ontvangelektrode 5 en een grenslaag 6 die ook wel "backing" wordt genoemd. Voorts is op de buitenzijde van de ontvanglaag 2 een druk-impedantie-omvormer 8 aangebracht. Deze omvormer heeft de vorm van een laag, waarvoor als mate-30 riaal een poreus of geschuimd materiaal wordt gebruikt, zoals bijvoorbeeld poreus rubber of geschuimd PVDF. Bij deze uitvoeringsvorm is een poreuze rubber als omvormerlaag toegepast.

Doordat op de poreuze rubberlaag 8 een uitwendige kracht of druk wordt uitgeoefend, zal de akoestische impedantie van deze laag verande-35 ren. Het gevolg hiervan is een goed meetbare spanningsverandering V2 over de elektroden 3 en 5.

Een ander type van druk-impedantie-omvormer is toegepast in de tastsensor volgens figuur 4. Overeenkomstige componenten zijn voorzien van dezelfde verwijzingsnummers als in de figuren 1 en 2. Het oppervlak 40 9 van de akoestische omvormer 8 is gegolfd, terwijl een geruwd opper- 3501908 7 vlak 9 ook goede resultaten oplevert. Doordat een uitwendige kracht of druk op de omvormerlaag 9 wordt uitgeoefend, wordt het gegolfde of geruwde oppervlak afhankelijk van de grootte van de kracht of druk vlakker, zodat de aankoppelingsefficiëntie wordt vergroot. Immers wordt het 5 aanlegoppervlak van de laag 8 tegen de zendlaag 2 groter. Deze verandering van de aankoppelingsefficiëntie kan worden beschouwd als een verandering van de akoestische impedantie van de laag 8 en de tussen de laag 8 en ontvanglaag 2 aanwezige lucht. Door deze verandering van de akoestische impedantie ontstaat over de elektroden 3 en 5 een goed 10 meetbare en reproduceerbare verandering van de spanning V2.

Uit het voorgaande volgt dat het optreden van een staande golf wordt bepaald door de relatie tussen de totale dikte van zend- en ontvanglaag en de frequentie van het toegevoerde signaal. Voorts is gevonden, dat voor een optimale gevoeligheid bij aankoppeling met een varia-15 bele akoestische impedantie aan de ontvangzijde zowel de aanstuurfre-quentie als de dikteverhouding van de zendlaag en ontvanglaag van invloed zijn. In het bijzonder is gevonden, dat bij een sensordikte van 1/4 v/f, 1/2 v/f, 3/4 v/f of v/f, de dikteverhouding van zend- en ontvanglaag 1 respectievelijk 2 bij een grensmedium aan de zendlaag met 20 een hoge akoestische impedantie bij voorkeur zeer klein, 1:1, 1:4 respectievelijk 4:1 Is. Bij een grensmedium met een lage impedantie zijn de voorkeursverhoudingen 1:1, 1:2, 2:1 respectievelijk 1:1. Bij een grensmedium met een betrekkelijk lage impedantie en een sensordikte 1/2 v/f en v/f bedragen de verhoudingen bij voorkeur 2:3 en 1:1.

25 De uitvinding strekt zich voorts uit tot de volgende uitvoerings vormen.

a. De zware messing backing 6 van de figuren 1, 3 en 4 is vervangen door lucht (Zas0), waardoor een knoopvlak aan de backing-PVDF over-gang is veranderd in een buikvlak. De staande golf treedt nu op in de 30 zogenaamde λ/2-mode met λ * 2d bij een twee maal hogere frequentie.

b. Vervanging van de messing-backing door een materiaal met een betrekkelijk lage waarde van Z, bijvoorbeeld een kunststof blijkt eveneens doelmatig, waarbij weer de λ /2-mode wordt toegepast.

c. Zowel aan de zend- als ontvanglaag 1 respectievelijk 2 is een 35 druk-impedantie-omvormer aangebracht.

d. Zowel van de 1/4 λ - als van de 1/2A“trillingsmodi kunnen hogere harmonischen optreden bij respectievelijk X 58 4d/(2 n + 1) en A“ ld/n (waarbij n een geheel getal is groter dan nul).

e. Om een goede geleidbaarheid te waarborgen wordt in praktische 40 gevallen een relatief dikke tussenelektrode 3 toegepast. Door keuze van 3501808 8 deze dikte kan het trillingsgedrag van de tastsensor worden beïnvloed.

Een tastsensor, opgebouwd uit een PVC-backing met een daarop gelijmde PVDF-laag van 2 mm dik, een piëzo-elektrische PVDF-zendlaag met een dikte van 44ym, een gemeenschappelijke elektrode uit staalfolie van 5 25pm dik en een piëzo-elektrische PVDF-ontvanglaag met een dikte van 51jjm en een aluminium elektrode aan de backingkant van de zendlaag respectievelijk aan de bovenkant van de ontvanglaag, wordt aan de ontvang-laag aangekoppeld met een rubberlaag. Bij aansturing van de zendlaag met een spanning van 600 mV en een variabele frequentie werd zonder 10 aankoppeling de responsiecurve A van figuur 5 over de gemeenschappelijke elektrode en de ontvangelektrode gemeten. Het gemeten signaal heeft een maximum van 6 mV bij een frequentie van 12,8 MHz. Bij aandrukking • op de rubberlaag werd het signaal volgens curve B van figuur 5 gemeten. Het bleek voorts dat bij intermediaire drukken tussen die welke werden 15 toegepast bij de meting van de curve A en die van de curve B de met deze intermediaire drukken overeenkomende signaalverlopen liggen tussen de curven A en B, waarbij het uitgangssignaal een functie van de uitgeoefende druk bleek te zijn.

Bij het ontwerp van de tastsensor stond de video-compatibiliteit 20 van de uitlezing en dataverwerking van een groot aantal elementen op de voorgrond. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt met de in figuur 6 getoonde uitvoeringsvorm.

Tussen de zendlaag 10 en de ontvanglaag 11 bevindt zich een gemeenschappelijke elektrode 12 die van buitenaf wordt geaard. Aan de on-25 derkant van de zendlaag 10 en aan de bovenkant van de ontvanglaag 11 bevinden zich twee stellen van (evenwijdige) smalle lijnelektrodes 13 respectievelijk 14, die elkaar loodrecht kruisen. De kruispunten kunnen worden beschouwd als sensorelementen (taksels). Twee stellen van zenden ontvangelektrodes 13 respectievelijk 14 zijn met multiplexers Ml 30 respectievelijk M2 verbonden. Op de ingang van de multiplexer Ml is een elektrische signaalbron UI aangesloten, terwijl door middel van de multiplexer M2 de ontvangelektrodes 14 worden uitgelezen. De fronting die zich aan de bovenkant van de ontvanglaag 11 bevindt, is duidelijkheidshalve hier niet getekend. Deze fronting kan lucht zijn of een laag met 35 een akoestische impedantie die een functie is van de uitwendige, daarop uitgeoefende druk of kracht.

De multiplexer Ml stuurt na elkaar de zendelektrodes 13 aan met een vooraf bepaalde wachttijd, waarna alle ontvangelektrodes 14 achtereenvolgens door de multiplexer M2 worden uitgelezen.

40 Voor de berekening van de relatie tussen de vereiste werkfrequen- 8501908 9 m tie van de zender fo bij het beschikbare aantal ontvangelektroden N kan gebruik worden gemaakt van de relatie: L - N . T = N . a/f0 (1) 5 waarin T de meettijd per ontvangelektrode is, dat wil zeggen a is het aantal trillingsperiodes nodig voor een adequate detectie. L “ l/fL is de lijntijd (s:60p sec.) voor standaard TV. Uit de vergelijking (1) volgt 10 f0 = N.a/li (2)

Voor een vooraf gekozen waarde van L biedt deze betrekking een grote vrijheid van dimensionering van de tastsensor.

15 Voor gekozen waarden: a = 10, N 60 en * 16 kHz (L&60p sec.) is de vereiste aanstuurfrequentie fg = 10 MHz.

Voor een groter aantal ontvangelektrodes N is bij constante a en L de vereiste aandrijffrequentie groter, wat voor de staande-golftoestand echter een kleinere totale dikte van zendlaag plus ontvanglaag vereist.

20 Dit biedt het voordeel dat nauwer gespatieerde ontvangelektrodes vergezeld gaan van een kleinere sensordikte, hetgeen de toenemende kans op overspraak tussen buurlijnen door de zender beperkt. Dit is het gevolg van het feit, dat de zendelektrodes en de ontvangelektrodes dichter bij elkaar liggen, waardoor de randeffecten een kleinere rol spelen en er 25 een geringere spreiding van de veldlijnen optreedt.

Het maximum aantal ontvangelektrodes op de zendlaag is beperkt tot N * 625, overeenkomend met het oplossend vermogen van een standaard TV.

Hierbij berekent men bij a = 10 een fg = 100 MHz, wat gerealiseerd kan worden met een tastsensor die tien maal zo dun is als het gegeven 30 voorbeeld met N a 60. Vanzelfsprekend kan men bij gegeven N het aantal perioden a verkleinen of vergroten hetgeen leidt tot een lagere respectievelijk hogere fg.

Een vergroting van het aantal perioden a kan worden bereikt door in plaats van de boven beschreven serieële uitlezing een parallelle 35 uitlezing van de ontvangelektroden toe te passen, waarvan een uitvoeringsvorm in figuur 7 is getoond. Overeenkomstige componenten zijn van dezelfde verwijzingsnummers voorzien als in figuur 6.

De signalen op de ontvangelektrodes 14 worden via detectorschake-lingen Di toegevoerd aan de integratorschakelingen Ii waarin de gede-40 tecteerde signalen worden geïntegreerd. De uitgangssignalen Uj[ van de i s n * ; ' ( -- 10 integratorschakelingen Ii kunnen tegelijkertijd worden afgenomen, waarna alle integratorschakelingen in een zo kort mogelijke schakeltijd t worden teruggesteld. De uitleest!jd per aangestuurde zendelektrode wordt dan 5 a/fg = L - t (3) a

Voor het detecteren van 10 perioden kan dan zelfs met een frequentie van 600 kHz worden gewerkt.

10 Als detectorschakeling Di kan een fasegevoelige detector worden toegepast met een gestippeld getekende ingang Fr voor een referentiefa-se. In de eenvoudigste vorm kunnen de detectorschakeling en de integra-torschakeling worden uitgevoerd als een serieschakeling van een diode en een condensator, waarbij de verbindingspunten parallel worden uitge- 15 lezen.

Een probleem dat niet onbesproken kan blijven is de nadelige invoed van de lange uitleeselektroden op het spanningsniveau van de ontvanger. Immers wordt de lading gegenereerd op een klein element ter plaatse van een kruising van een zend- en ontvangelektrode. Een oplos- 20 sing hiervoor kan worden gevonden door inductieve compensatie van deze parasitaire capaciteiten met afstemzelfinducties die in serie met de zend- en/of ontvangelektrodes 13 respectievelijk 14 worden geschakeld, of door middel van een parallelle aansluiting tussen de betreffende elektrodes en aarde.

25 Bijkomende voordelen van de uitvinding zijn een zeer korte respon- sietijd (40 msec, per beeld) en een geringe hysterese, terwijl de tastsensor ongevoelig is voor laagfrequente stoorsignalen.

De tastsensor volgens de uitvinding heeft interessante toepassingen in de automatiseringstechniek. Door bijvoorbeeld een robot met een 30 tastsensor uit te rusten wordt de robot als het ware van het tastzin-tuig voorzien. Gemonteerd in de grijper kunnen dan onder meer de volgende taken worden verricht.

- Het bepalen van de aanwezigheid van een voorwerp in de grijper.

- Het bepalen van de positie en oriëntatie in de grijper.

35 - Het herkennen van het voorwerp (op grond van de afdruk in de grijper of op grond van de textuur van het voorwerp).

- Slipdetectie.

- Het meten van knijpkrachten.

- Het meten van de temperatuur van een voorwerp.

40 In de meeste gevallen heeft de responsie van de sensor direct ge- 8501903 11 volgen voor de robotbesturing; er vindt een vorm van terugkoppeling plaats.

Enkele toepassingen buiten de automatisering heeft de tastsensor bij de revalidatie, bijvoorbeeld in protheses. Ook kan de tastsensor 5 worden gebruikt om bijvoorbeeld het drukpatroon van een voetafdruk te bepalen, eventueel als functie van de tijd.

De toepassing van de tastsensor volgens de uitvinding strekt zich tevens uit tot het meten van tijdafhankelijke drukverdelingen in granu-laire vloeistof- en gasstromen.

S 5 01 9 0S

Claims

1. Tastsensor omvattende een zendlaag en een daarop aangebrachte ontvanglaag uit piëzo-elektrisch materiaal, die voorzien zijn van elektroden voor het toevoeren en afnemen van elektrische signalen aan de 5 zendlaag respectievelijk van de ontvanglaag, met het kenmerk, dat de som van de dikten van de zend- en ontvanglaag bij een hoge akoestische impedantie van het aan de zendlaag grenzende grensmedium en een lage akoestische impedantie van het aan de ontvanglaag grenzende grensmedium of omgekeerd, een oneven aantal v/4f is en bij gelijksoortige, hetzij 10 lage of hoge impedanties van de genoemde grensmedia de som een even aantal v/4f is, waarbij v de voortplantingssnelheid van de akoestische trilling is in het materiaal van de zend- en ontvanglaag en f de frequentie van het toegevoerde signaal is.

2. Tastsensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de buiten-15 zijde van de zend- of ontvanglaag grenst aan een medium met een lage of hoge, vaste akoestische impedantie en dat de ontvang- respectievelijk zendlaag aan het buitenvlak is voorzien van een meetwaarde-impedantie-omvormer ter bepaling van en fysische grootheid.

3. Tastsensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de buiten-20 zijden van de zend- en ontvanglaag voorzien zijn van een meetwaarde-im- pedantie-omvormer ter bepaling van een fysische grootheid.

4. Tastsensor volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat tussen zend- en ontvanglaag een meetwaarde-impedantie-omvormer ter bepaling van een fysische grootheid aanwezig is.

5. Tastsensor volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de meetwaarde-impedantie-omvormer bestaat uit een aankoppellaag waarvan de akoestische impedantie (Zv) afhankelijk is van de voor deze laag geldende waarde van de betreffende fysische grootheid.

6. Tastsensor volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de aankop-30 pellaag uit een poreus of geschuimd materiaal bestaat.

7. Tastsensor volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat de meetwaarde-impedantie-omvormer bestaat uit een aankoppellaag waarvan de aankoppelingsefficiëntie afhankelijk is van de op de betreffende laag uitgeoefende druk.

8. Tastsensor volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het bin nenste vlak van de aankoppellaag geruwd of gegolfd is.

9. Tastsensor volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat bij een variabele akoestische impedantie van het grensmedium aan de ontvangzijde en een sensordikte van 1/4 λ, 1/2λ , 3/4λ of 40 Λ van de akoestische golf, de dikteverhouding van zend- en ontvanglaag 8501008 bij een hoge akoestische impedantie van het grensmedium aan de zendlaag respectievelijk zeer klein, 1:1, 1:4 en 4:1 en bij een lage akoestische impedantie van het grensmedium respectievelijk 1:1,1:2,2:1 en 1:1 is en bij een grensmedium met een betrekkelijk lage akoestische impedantie 5 en een sensordikte van 1/2 A of A, de dikt ever houding respectievelijk 2:3 en 1:1 bedraagt.

10. Tastsensor volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat tussen zend- en ontvanglaag een gemeenschappelijke elektrode is aangebracht, dat aan de buitenzijden van de zend- en ontvang- 10 laag evenwijdige toevoer- respectievelijke afvoerelektrodebanen aanwezig zijn, waarbij de toevoerelektrodebanen de afvoerelektrodebanen elkaar in hoofdzaak loodrecht kruisen, dat achtereenvolgens zendsignalen aan de toevoerelektrodebanen worden toegevoerd en dat een uitleesinrich-ting aanwezig is, die de afvoerelektrodebanen uitleest.

11. Tastsensor volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat een mul tiplexer aanwezig is, via welke de zendsignalen uit een elektrische signaalbron worden afgeleid.

12. Tastsensor volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de uitleesinrichting wordt gevormd door een multiplexer.

13. Tastsensor volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat elke afvoerelektrodebaan via een detectorschakeling is aangesloten op een integratorschakeling die na elke aftastperiode wordt teruggesteld, waarbij de uitgangen van de integratorschakelingen parallel worden uitgelezen.

14. Tastsensor volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat een afstemspoel in serie of parallel aan de toevoer- en/of afvoerelektrodebanen is aangesloten. ******** .530100 8