Optischer Tastsensor

Die Erfindung betrifft faseroptische Systeme zur Realisierung von Berührungssensoren.

Ein optischer Lichtleiter überträgt ein optisches Signal, indem das Signal im Kern des Leiters am Verlassen des Leiters durch Totalreflexion an dem Übergang zu einem äußeren Medium gehindert wird. Damit wird erreicht, dass die Übertragung wie mit einem elektrischen Kabel erfolgen kann. Dieses Prinzip ist allgemein bekannt und in vielen Lehrbüchern beschrieben. In neuerer Zeit ist eine Vielzahl von Sensoren bekannt gewor- den, die sich optischer Lichtleiter bedienen. Beispielsweise sind faseroptische Biegesensoren in der US 5,321,257 beschrieben. Hierbei werden auf einem Teil der Faser durch Störung der Oberfläche sensitive Bereiche erzeugt, die bei Beugung der Faser deutliche Unterschiede in der Übertragungs- leistung beobachtet.

In der US 6,965,709 ist ^' ein elektro-optischer Positionssensor beschrieben, der nicht den Verlust von Strahlung benutzt, sondern vielmehr Strahlung in einen optischen Leiter ein- strahlt. Diese Anordnung ist relativ komplex und verwendet eine Hilfslichtquelle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach zu realisierenden berührungs- bzw. druckempfindlichen optischen Sensor anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen optischen Tastsensor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen ge- löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Tastsensor weist einen optischen Licht- leiter mit einem Kern und einer Umhüllung auf, die an einem ersten Ende des optischen Lichtleiters zumindest teilweise lichtdurchlässig ist. Auf diese Weise ist Licht einer Lichtquelle in den Kern übertragbar. Außerdem ist an einem zweiten Ende des optischen Lichtleiters ein Sensorelement angebracht. Zwischen dem ersten Ende des Lichtleiters und der Lichtquelle ist ein optisches Koppelelement mit druckabhängiger Lichtdurchlässigkeit angeordnet. Das Koppelelement ist durch Ausübung eines Drucks am ersten Ende des optischen Lichtleiters komprimierbar, wobei der Druck als Funktion einer am zweiten Ende des optischen Lichtleiters in das Sensorelement emittierten Strahlung bestimmbar ist.

Der erfindungsgemäße Tastsensor eignet sich besondere für eine Verwendung in explosionsgeschützten oder EMV-kritischen Bereichen, da ein Druck zunächst in ein unkritisches optisches Signal umgewandelt wird und dieses über eine optische Verbindung zu einer opto-elektronischen Auswerteeinheit außerhalb des explosionsgeschützten Bereichs übermittelbar ist. Vorzugsweise ist die Lichtquelle über einen zweiten Lichtlei- ter mit dem optischen Koppelelement verbunden ist. Somit kann beispielsweise eine elektrisch betriebene Lichtquelle in einer explosionsgeschützten Umgebung vermieden werden.

Eine besonders einfache Realisierung eines Tastsensors ergibt sich, wenn das Koppelelement ein elastischer Schaumstoff ist, der das erste Ende des Lichtleiters und/oder die Lichtquelle zumindest partiell ummantelt. Derartige Schaumstoffe sind problemlos verfügbar und kostengünstig. Am ersten Ende des optischen Lichtleiter können auch mehrere Lichtquellen an vorgebbaren diskreten Stellen in den Kern eingekoppelt werden, so daß eine Druckausübung am ersten Ende des Lichtleiters im Bereich einer der Lichtquellen identifi- ziert werden kann. Auf diese Weise kann eine tastaturähnliche Vorrichtung mit einer oder mehreren Tasten realisiert werden. Darüber hinaus kann auch der ausgeübte Druck als Zusatzinformation ausgewertet werden, wenn die Lichtdurchlässigkeit des optischen Koppelelements in eindeutigem funktionalen Zusam- menhang zum ausgeübten Druck steht. Außerdem ist auch eine

Ausübung eines Drucks am ersten Ende des Lichtleiters in einem Bereich zwischen zwei Lichtquellen detektierbar, so daß mehr abtastbare diskrete Druckmessstellen als Lichtquellen zur Verfügung stehen. Senden die verwendeten Lichtquellen Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge aus, und umfaßt die Sensoreinheit einen Wellenlängendiskriminator, so kann auf einfache Weise detektiert werden, an welchem Abschnitt des ersten Endes des Lichtleiters eine Ausübung eines Druck auf den Tastsensor erfolgt. Anstelle mehrerer Lichtquellen kann lediglich eine Lichtquelle vorgesehen sein, wenn am ersten

Ende des Lichtleiters abschnittsweise unterschiedliche Farbfilter angeordnet sind.

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Einfallsrichtung in den Lichtleiter am ersten Ende emittierten Lichts im wesentlichen senkrecht zur Achse des Lichtleiters am ersten Ende. Außerdem ist für das in den Lichtleiter am ersten Ende emittierte Licht eine MuI- tiplexvorrichtung zur Bündelung unterscheidbarer Signale vor- gesehen. Die Multiplexvorrichtung kann für ein Zeit- und/oder Frequenzmultiplexverfahren ausgestaltet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Figur einen schematisch dargstellten optischen Tastsensor.

Der in der Figur dargestellte Tastsensor umfaßt einen optischen Lichtleiter 10 mit einem Kern und einer Umhüllung. Der optische Lichtleiter 10 weist an einem ersten Ende einen sensitiven Bereich 14 auf. Hierzu ist die Umhüllung des optischen Lichtleiters 10 entfernt oder durchlässig gemacht wor- den. Dies kann beispielsweise durch vollständiges oder partielles Abschleifen oder Aufrauhen erfolgen. Der sensitive Bereich 14 wird Licht einer mehrere Leuchtdioden 18a-c umfassenden Lichtquelle 26 ausgesetzt, wobei die Leuchtdioden 18a- c Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Das Licht der Lichtquelle 26 kann über eine lichtdurchlässige Ummante- lung 16, deren Lichtdurchlässigkeit unter Druck abnimmt, und über eine aufgerauhte Oberfläche des Kerns in den Lichtleiter 10 eindringen und wird aufgrund dessen Wellenleitereigenschaft zu einem zweiten Ende des Lichtleiters 10 übertragen. Durch eine am zweiten Ende an den Lichtleiter 10 angekoppelte Intensitätsmessvorrichtung 20 wird eine Intensität des über den Lichtleiter 10 übertragenen Lichts der Lichtquelle 26 nach Wellenlängen differenziert bestimmt.

Als Ummantelung 16, welche ein optisches Koppelelement zwischen den Leuchtdioden 18a-c und dem sensitiven Bereich 14 des Lichtleiters 10 darstellt, kann ein handelsüblicher nicht gefärbter Schaumstoff mit geringer Dichte gewählt werden. Ein solcher Schaumstoff läßt in einem Ruhezustand Licht unter Ab- Schwächung durch. Wird .der Schaumstoff zusammengedrückt, nimmt die Lichtdurchlässigkeit zu, da die Abschwächung des Lichts im wesentlichen auf Streuung zurückzuführen ist. Durch ein Zusammendrücken des Schaumstoffs können wirksame Streustellen vermindert werden. Schaumstoff ermöglicht insbesonde- re eine Umsetzung von lokalem Druck in lokale Verformung, ohne daß andere Bereiche beeinflusst werden. Alternativ können für die Ummantelung andere gängige Stoffe oder Stoffgemische verwendet werden, die eine druckabhängige Lichtdurchlässig- keit aufweisen. Zur Fixierung des Lichtleiters 10 auf der Ummantelung 16 ist eine Schutzhülle 24 vorgesehen.

Wird eine Kraft 22 in Pfeilrichtung an in der Figur markierter Stelle auf den Lichtleiter 10 ausgeübt, so wird die Um- mantelung 16 dort zusammengedrückt und ein Übertragungsfaktor von durch eine erste Leuchtdiode 18a emittiertem Licht in den sensitiven Bereich 14 geändert. Durch die Intensitätsmessvorrichtung 20 kann dieses detektiert werden, wobei die Intensitätsmessvorrichtung 20 ein entsprechendes elektrisches Signal als Ergebnis einer Verformung durch die ausgeübte Kraft erzeugt.

Die Leuchtdioden 18a-c emittieren im vorliegenden Ausführungsbeispiel Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Auf diese Weise kann durch die Intensitätsmessvorrichtung 20 detektiert werden, in welchem Abschnitt des sensitiven Bereichs 14 eine Verformung erfolgt, und ein entsprechend unterscheidbares e- lektrisches Signal erzeugt werden.

Es sind auch Verformungen im Bereich zwischen zwei Leuchtdioden 18a-c detektierbar, da in diesem Fall für zwei Wellenlängen Änderungen des Übertragungsfaktors hervorgerufen werden. Dies kann beispielsweise binär als Betätigung einer sekundären Taste einer durch den Tastsensor realisierten Eingabevor- richtung zwischen zwei primären Tasten interpretiert werden. Dabei entsprechen die primären Tasten Stellen innerhalb des sensitiven Bereichs 14, an denen Licht der Leuchtdioden 18a-c in den Lichtleiter 10 eingekoppelt wird. Allgemein lassen sich aus in der Intensitätsmessvorrichtung 20 gemessenen Leistungsanteilen für von den einzelnen Leuchtdioden 18a-c in den Lichtleiter 10 emittiertem Licht anhand der jeweils unterschiedlicher Wellenlänge Verformungsstelle und Verformungstiefe ermitteln. Verformungsstelle und Verformungstiefe können wiederum in Ort und Druck umgerechnet werden.

Anstelle mehrerer Leuchtdioden kann auch lediglich eine Lichtquelle vorgesehen und am sensitiven Bereich 14 abschnittsweise unterschiedliche Farbfilter angeordnet sein. Des weiteren können anstelle mehrerer Leuchtdioden mit elektrischen Zuleitungen auch mehrere durch entfernte Lichtquellen gespeiste Lichtleiter verwendet werden, die an Stellen enden, an denen ansonsten die Leuchtdioden angeordnet sind. Alternativ kann für das in den Lichtleiter 10 am sensitiven Bereich 14 emittierte Licht eine Multiplexvorrichtung zur Bündelung unterscheidbarer Signale innerhalb eines zuführenden Lichtleiters vorgesehen sein, wobei die Multiplexvorrichtung für ein Zeit- und/oder Frequenzmultiplexverfahren ausgestaltet ist. Die durch die Multiplexvorrichtung gebündelten Signale können zeit-, frequenz- und/oder codemoduliert sein.

Es können auch mehrere Lichtleiter 10 mit ihren sensitiven Bereichen 14 in Zeilen und Spalten matrixförmig angeordnet sein. In diesem Fall können Lichtquellen hinsichtlich ihrer Lichteinfallsrichtungen senkrecht zu einer Matrixfläche ausgerichtet sein, was eine Einspeisung von unterschiedlichen Lichtquellen sowie ihre gezielte Selektion für eine Einkopp- lung in einem gewünschten sensitiven Bereich 14 vereinfacht.

Bei einer matrixförmigen Anordnung kann alternativ zu einer statischen Versorgung mit farbigem Gleichlicht auch ein von Tastaturmatrizen bekanntes Spaltenmultiplexverfahren angewen- det werden. Auf diese Weise ist eine Spaltenanzahl nicht durch eine Anzahl unterscheidbarer Wellenlängen bzw. Farben beschränkt. Dies ermöglicht einen sehr einfachen und preiswerten Aufbau von drucksensitiven Matten mit mehreren tausend Sensorpunkten, die keine elektromagnetischen Felder erzeugen und nicht explosionsgefährdend sind.

Werden mehrere speisende Lichtleiter mit axialem Austritt verwendet, können deren Achsen vorteilhafterweise radial auf verschieden Abschnitte von sensitiven Bereichen ausgerichtet werden. Bei Druckeinwirkung auf einen derartigen Tastsensor werden die speisenden Lichtleiter derart ausgelenkt, daß eingespeistes Licht nicht mehr auf sensitive Bereiche trifft.

Anstelle von Schaumstoff können für die Ummantelung Stege verwendet werden. Durch die Stege werden Abstände zwischen sensitiven Bereichen und Lichtquellen festgelegt. In einem Ruhezustand ist ein sensitiver Bereich eines Lichtleiters gestreckt und gerade. Wird auf eine Stelle zwischen zwei Stegen Druck ausgeübt, wird der jeweilige sensitive Bereich an dieser Stelle verformt und nähert sich der jeweiligen Lichtquelle. Hierdurch wird die Intensität des eingekoppelten Lichts erhöht. Andere sensitive Bereiche unterliegen demgegenüber keiner Verformung, so daß dort die Intensität des eingekop- pelten Lichts gleich bleibt.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.