WO1997041413A1 - Taktiler teil eines drucksensors - Google Patents

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WO1997041413A1
WO1997041413A1 PCT/EP1997/001397 EP9701397W WO9741413A1 WO 1997041413 A1 WO1997041413 A1 WO 1997041413A1 EP 9701397 W EP9701397 W EP 9701397W WO 9741413 A1 WO9741413 A1 WO 9741413A1
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Harald Fischer
Rainer Wolf
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Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/247—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet using distributed sensing elements, e.g. microcapsules
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
    • G01L5/226—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping
    • G01L5/228—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to manipulators, e.g. the force due to gripping using tactile array force sensors

Definitions

  • the invention relates to the tactile part of a pressure sensor.
  • a structure interspersed with axial bores is illuminated from one end face and on the other end face the emitted light intensity per bore is detected and / or passed on.
  • By exerting axial pressure on such a bore or over a large area on several or all of the bores its clear width can be narrowed, as a result of which less light emerges on the light exit side depending on the pressure.
  • the light intensity measured or transmitted at the lumen output is thus a measure of the pressurization on the light entry side.
  • a tactile, optoelectronic pressure sensor is known.
  • the tactile part of the sensor consists of an opaque, rubber-like body provided with axial collimator bores, which can be irradiated from one side with an electroluminescent luminous film.
  • the holes change their clear width under the action of axial pressure.
  • the light that is still passing through is passed on to the light exit side of the individual bores or its intensity is measured using optoelectronic means, so that the influence of pressure can be represented with a point grid depending on the location.
  • the disadvantage of the tactile part of this sensor is that it is inevitable to influence the change in the clear width of the holes under pressure.
  • the rubber-like material is squeezed radially to the side, so that the radially surrounding bores are curved by the bore on which the maximum pressure acts and are no longer rotationally symmetrical under pressure action.
  • the locally measured force effect is thus falsified due to this cross-influencing.
  • the detection of light guides arranged in a matrix avoids such cross-influences.
  • Such an arrangement is known from EA 0 328 7 ⁇ 3 AI, with which pressures can be measured in a spatially resolved manner with raster accuracy.
  • the type of pressure applied to the rows and columns of the matrix is radial, as is the case with a fiber-optic sensor according to DE 32 36 435 C2.
  • the principle here is to reduce the transmitted light intensity in a light guide channel by constriction under the action of pressure or force.
  • the disadvantage here is that the elements of the matrix can only be read out successively by driving the matrix elements (optical fiber nodes).
  • the tactile part of an optoelectronic sensor is to be designed in such a way that there is a clear connection between the axial pressure effect on the light irradiation side and the locally emitted light intensity on the light emission side and the locally different pressure on an action surface in the form of correspondingly influenced transmitted light intensities is detected simultaneously.
  • the invention is achieved by a tactile, optoelectronic pressure sensor according to claim 1.
  • the pressure sensor consists of a rigid body which has a matrix of axial bores. In each hole there is a hollow cylinder made of elastic material lying against the wall. Each of these hollow cylinders protrudes somewhat on one free end of the body and is flush on the other.
  • the protruding hollow cylinders are covered by an electroluminescent film that shines into the hollow cylinders with a non-reflecting or at best diffusely reflecting inner wall. With axial pressure acting on the Hohizylinders, these change their cross-section depending on the pressure and thus the transmitted light intensity.
  • a subordinate • Toelectronic evaluation unit detects the individual transmitted, pressure-dependent light intensities.
  • Subclaim 2 characterizes the electroluminescent film which radiates into the tactile part and does not have to radiate over the entire surface.
  • a light source is only required there, on which an elastic hollow cylinder (tube) is positioned. Therefore, a z. B. cut or punched net-like light source, the nodes of which cover the inner cylinder wall and the fiber ends at the other end.
  • the film (claim 1) or the net-like film structure could be glued to the hollow cylinder end faces so that no displacement can occur. However, this is not meaningful because of the necessary possible change in cross-section of the lumen of the hollow cylinder.
  • the matrix material remains dimensionally stable mechanically up to the maximum intended axial pressure, ie. H. behaves rigidly.
  • it must also be tissue-friendly and chemically resistant to contact and sterilizable (claims 3 and 4).
  • the light entry side of the tactile part with the electroluminescent film lying thereon is covered with a soft, highly elastic, opaque skin, which is also tissue-friendly, chemically resistant and sterilizable, in particular also to shield the effects of extraneous light.
  • electrical insulation to the outside is thus also established (claim 5).
  • each hollow cylinder or each pressure element (each individual sensor) is completely decoupled from the others in the matrix with regard to elasticity and cross-influencing, the pressure-dependent reduction of the respective lumen cross-section is solely due to the axial effect there Attributed to pressure.
  • the pressure effect depending on the location, area-wise or locally depending on the location, is thereby reproduced without being distorted by the individual light intensity measurement.
  • FIG. 1 shows an individual sensor with an evaluation unit and without and with a flexible optical waveguide
  • FIG. 2 shows an arrangement of individual sensors in an array
  • Figure 3 shows an openwork, network-structured luminescent film.
  • the individual sensor from the tactile part of the electro-optical sensor is shown schematically in FIG. 1.
  • the cutout of electroluminescent luminescent film 1 radiates onto the elastic hollow cylinder 2 made of elastic material and illuminates the existing lumem.
  • the hollow cylinder 2 is made of silicone rubber in the exemplary embodiment. Other elastic substances can also be used as long as they are suitable for the environment in which they are to be used.
  • the hollow rubber cylinder 2 is axially immovable in the matrix bore 4.
  • the matrix 7 is made of brass.
  • the tube 2 protrudes somewhat from the upper matrix surface, at least to such an extent that the lumen 3 closes completely with the corresponding axial pressure and the front side of the tube is at most flush with the matrix surface. An even higher axial pressure can then no longer be measured in this way anyway.
  • the evaluation unit 5 is indicated schematically by a series circuit comprising a photodetector with a resistor and a voltage source.
  • the optical waveguide 6 can be an optical fiber bundle or a single fiber, depending on the size ratio of the individual sensor 1, 2, 3, 4. It is essential, however, that in the case of a matrix structure, a location can be assigned. For this purpose, the optical waveguides 6 must go from the individual sensors in an orderly fashion from the tactile part to the optoelectronic converter matrix which, like the individual sensors, consists of the corresponding arrangement of optoelectronic evaluation units. CCD chips are very suitable for this.
  • the sensor or the matrix 7 according to FIG. 2 made of brass shows a square array of the individual sensors. Another form of the array is also possible if it were necessary for a particular application.
  • the covering of the array on the light entry side by the luminescent film 1 can be continuous. However, it is expedient to structure the luminescent film 1 as outlined in FIG. 3. In this case, a knot 8 in the interior of the arrangement is completely covered with a hose end face. The individual sensors at the edge are covered by the respective fiber extension 9 of the network structure 10. The electrical connection of the film or of the network 11 is on one side or the fiber ends 9 of one side are combined for this. Such a network 11 made of luminescent film 1 is more elastic than a coherent film.
  • the structure of the tactile sensor part sketched according to FIG. 2 is intended for use in medicine, specifically for palpating tissue.
  • the electroluminescent luminescent film 1 is 0.17 mm thick.
  • the inserted tubes 2 In the unloaded state, the inserted tubes 2 have an outside diameter of 0.8 mm and a clear width of the lumen 3 of 0.35 mm.
  • the diameter of the trix 7 is 14 mm; the array has the sketched arrangement of 8 x 8 individual sensors.

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Abstract

Es wird der taktile Teil eines Drucksensors vorgeschlagen. In eine starre Matrix mit axialen Bohrungen sind Hohlzylinder aus inkompressiblem, hochelastischem Material eingelassen, auf der einen Stirnseite bündig, auf der andern überstehend. Auf der überstehenden Seite der Hohlzylinder wird Licht eingestrahlt, das an der andern mehr oder weniger stark in seiner Intensität austritt, je nach dem wie stark das Lumen des jeweiligen Hohlzylinders durch axiale Druckeinwirkung verjüngt wurde. Die Hohlzylinder können sich durch die Einbettung in die starre Matrix nicht gegenseitig drücken und damit quer beeinflussen.

Description

TaXtilβr Teil eines Drucksensors
Die Erfindung betrifft den taktilen Teil eines Drucksensors.
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 Lichteintrittseite.
Aus der DE 195 27 957 ist ein taktiler, optoelektronischer Drucksensor bekannt. Der taktile Teil des Sensors besteht aus einem lichtundurchlässigen, mit axialen Kollimatorbohrungen versehenem, gummiartigen Körper, die 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. • Die Erfassung von matrixförmig angeordneten Lichtleitern ver¬ meidet solche Querbeeinflussungen. Aus der EA 0 328 7Ö3 AI 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 Sen¬ 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 erfaßt wird.
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 Hohizylinder aus elastischem Matrial untergebracht. Jeder die¬ ser Hohizylinder ragt auf der einen, freien Stirnseite des Körpers etwas hinaus schließt auf der andern bündig ab. Die herausragenden Hohizylinder sind durch eine Elektroluminis- zenzfolie abgedeckt, die in die Hohizylinder mit nichtreflek- tierender oder allenfalls diffus reflektierender Innenwand hineinstrahlt. Unter axialer Druckeinwirkung auf die Hohizy¬ 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 ünteranspruch 2 kennzeichnet die in den taktilen Teil ein¬ strahlende Elektroluminiszenzfolie, die nicht ganzflächig ab¬ strahlen muß. Es ist nur dort eine Lichtquelle nötig, an der ein elastischer Hohizylinder (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 iεt 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 Umwelteinfüsse 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 Hohizylinder 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:
Figur 1 einen Einzelsensor mit Auswerteeinheit sowie ohne und mit flexiblem Lichtwellenleiter,
Figur 2 eine Anordnung von Einzelsensoren zu einem Array,
Figur 3 eine durchbrochene, netzstrukturierte Leuchtfolie.
Der einzelne Sensor aus dem taktilen Teil des elektrooptischen Sensors ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Von oben strahlt der Ausschnitt an Elektroluminiszenz-Leuchtfolie 1 auf den elastischen Hohizylinder 2 aus elastischem Material und leuchtet das vorhandene Lumem aus. Der Hohizylinder 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 Matrixflache 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 Matrixflache 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 Matrixflache 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 x 8 Einzelsensoren.
Bezuσszeichenliste
1 Lichtquelle, Leuchtfolie, Elektroluminiszenz-Leuchtfolie
2 Hohizylinder, Silikonkautschuk,
3 Lumen, Bohrung
4 Matrixbohrung, Bohrung
5 Optoelektronische Auswerteeinheit
6 Lichtwellenleiter
7 Matrix, Aufnehmer, Messingaufnehmer
8 Knoten
9 Faserverlängerung
10 Netzstruktur, Netz
11 Elektrodenanschluß

Claims

Patentansprüche
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 Hohizylinder (2) aus elastischem Material angeordnet ist, dessen erste Stirnseite 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 Hohizylinder mit einer Licht aus¬ sendenden Elektroluminiszenzfolie (l) bedeckt und in Axial¬ richtung druckbeaufschlagbar sind, die Innewandungen der Hohizylinder das Licht nicht oder al¬ lenfalls diffus reflektieren und das die druckabhängige Innenweite der Hohizylinder 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 Hohizylinder (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 beständigem, dielektrischem Material besteht.
4. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (7) aus einem gewebefreundlichem, chemisch be¬ ständigem, metallischen Material besteht. 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.
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