DE10158777B4

DE10158777B4 - Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte

Info

Publication number: DE10158777B4
Application number: DE10158777A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gombert
Original assignee: 3DConnexion GmbH
Current assignee: Civile "galileo 2011" Mc Ste
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2021-12-01
Also published as: JP4160310B2; US20030102426A1; TW542898B; US6753519B2; JP2003173229A; IL148308A; DE10158777A1; KR20030044751A; IL148308A0

Abstract

Optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die mindestens drei Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) als optoelektronische Elemente umfasst, wobei
– die Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) so auf einer an allen Stellen planen oder konvexen, geschlossenen, gedachten ersten Fläche angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Emissionseinrichtungen in einen ersten Innenraum weisen, der durch die erste Fläche begrenzt wird, und
– die Anordnung positionsempfindliche Detektoren (42, 62) als weitere optoelektronische Elemente umfasst und jeder positionsempfindliche Detektor (42, 62) von zumindest einer Lichtemissionseinrichtung (40, 60) beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Messzelle je eine im Strahlengang der Lichtemissionseinrichtung (40, 60) zwischen der Lichtemissionseinrichtung (40, 60) und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende (44, 64) umfasst, wobei die Schlitzblende (44, 64) relativ zum positionsempfindlichen Detektor und der Lichtemissionseinrichtung (40, 60) bewegbar ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die mindestens drei Lichtemissionseinrichtungen als optoelektronische Elemente umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraft- und/oder Momentensensor, der sich einer solchen Anordnung bedient. Schließlich betrifft die Erfindung eine PC-Tastatur, die den erfindungsgemäßen Kraft- und/oder Momentensensor aufweist.

Als Anordnungen zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte in Kraft- und/oder Momentensensoren haben sich Anordnungen mit optoelektronischen Messzellen weitgehend durchgesetzt. Der Grund sind der einfache Aufbau verbunden mit einer hohen Präzision und Zuverlässigkeit.

DE 36 11 337 A1 offenbart eine in einer Kunststoffkugel untergebrachte optoelektronische Anordnung, die gleichzeitig sechs Komponenten, nämlich Verschiebungen entlang dreier Achsen und Winkeldrehungen um drei Achsen, erfassen kann. Zu diesem Zweck sind sechs lichtemittierende Einrichtungen in im wesentlichen gleichen Winkelabständen zueinander in einer Ebene angeordnet. Jeder lichtemittierenden Einrichtung ist eine fest angeordnete Schlitzblende vorgeschaltet. Die Relativbewegungen oder Relativpositionen werden durch lichtempfindliche Detektoren aufgenommen, die relativ zu der Anordnung aus lichtemittierenden Einrichtungen und Schlitzblenden beweglich angeordnet sind, und deren Detektorachse im wesentlichen senkrecht zur Schlitzrichtung verläuft. Die Anordnung erfordert relativ geringen Kon struktionsaufwand, da die lichtemittierenden Einrichtungen und Blenden, sowie ggf. andere elektronische Einrichtungen zum Ansteuern und Auswerten mit konventioneller Löttechnik auf einer einzigen Platine angeordnet werden können, die fest mit einem ersten Objekt verbunden werden kann. Die positionsempfindlichen Detektoren werden mit dem zweiten Objekt verbunden. Nachteilig ist jedoch, dass die Anordnung eine relativ große Fläche beansprucht. Ursache ist die relativ große räumliche Ausdehnung der Blenden und Detektoren, die ringförmig um die Lichtemissionseinrichtungen angeordnet sind. Hierdurch sind einer Miniaturisierung der Anordnung Grenzen gesetzt.

Weitere Dokumente ohne Anspruch auf Vollständigkeit, die den technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind:
DE 33 14 089 , DE 27 27 704 C3 , DE 36 11 336 C2 , DE 32 40 251 A1 , US 3,921,445 , US 3,628,399 .

Optoelektronische Anordnungen zum Messen von Relativbewegungen oder Relativpositionen, sowie Kraft- und/oder Momentensensoren, die sich solcher Anordnungen bedienen, haben in der Vergangenheit vor allem in industriellen Anwendungen Bedeutung gewonnen. Beispiele sind das Steuern von Robotern und das Messen von Kräften an Kfz-Prüf- und Messständen. Den Anordnungen und Sensoren bieten sich aber prinzipiell auch im Bürobereich sowie in der Unterhaltungselektronik kommerziell höchst interessante Anwendungsmöglichkeiten. Sie haben hierbei die Funktion eines Eingabegerätes, mit dem bis zu sechs Komponenten eingegeben werden können, im Gegensatz zu einem Joystick, einer Maus oder einem Trackball, die im allgemeinen die Eingabe von nur zwei Komponenten erlauben. Eine einfache und bequeme Eingabe von sechs Komponenten, wie es ein Kraft- und/oder Momentensensor mit einer optoelektronischen Anordnung erlaubt, ist zum Beispiel zur Steuerung von 3D-Konstruktinssoftware und anspruchsvollen Computerspielen wünschenswert. Die bisherigen Eingabegeräte sind allerdings aufgrund ihres Flächenbedarfs ausgesprochen unhandlich, was einer weiterreichenden Verbreitung wesent lich entgegenstand. Eine Miniaturisierung würde den Einbau z.B. in Spielkonsolen, PC-Tastaturen oder Notebook-Computern erlauben, und dadurch eine breite Marktdurchdringung ermöglichen.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt somit der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte zu schaffen, die im Vergleich zu den bekannten Anordnungen einen geringeren Flächenbedarf aufweist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraft- und/oder Momentensensor zu schaffen, der ebenfalls einen im Vergleich zu den bekannten Sensoren geringeren Flächenbedarf aufweist. Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Eingabegerät für den Einsatz im Büro zu schaffen, das eine unkomplizierte Eingabe von bis zu sechs Kraft- bzw. Drehmomentkomponenten erlaubt.

Erfindungsgemäße Lösung

Zum Erfüllen dieser Aufgabe lehrt die Erfindung eine Optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die mindestens drei Lichtemissionseinrichtungen als optoelektronische Elemente umfasst und die durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist. Dabei sind Schlitzblenden relativ zu elektronischen Komponenten beweglich ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass alle elektronischen Komponenten – gemäß einer bevorzugten Ausführung – auf einer einzigen Leiterplatte untergebracht werden können. Die Erfindung lehrt weiter einen Kraft- und/oder Momentensensor, der durch die Merkmale des Anspruchs 14 definiert ist. Schließlich lehrt sie eine Personalcomputer-Tastatur, die durch die Merkmale des Anspruchs 20 definiert ist.

Aufbau und Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung

In einer Ausführung der Erfindung sind die Lichtemissionseinrichtungen, bevorzugt Infrarot-Leuchtdioden (ILED), so auf einer an jeder Stelle planen oder konvexen, geschlossen, gedachten ersten Fläche angeordnet, dass ihre jeweiligen Emissionsrichtungen in einen ersten Innenraum weisen, der durch die erste Fläche begrenzt wird.

Als weitere optoelektronische Elemente weist die bevorzugte Ausführung positionsempfindliche Detektoren auf, bevorzugt po sitionsempfindliche Infrarotdetektoren. Jeder positionsempfindliche Detektor wird außerdem vorzugsweise von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, um eine Messzelle zu bilden.

Weiter sind in einer möglichen Weiterbildung der Erfindung alle Lichtemissionseinrichtungen und positionsempfindlichen Detektoren in einer gemeinsamen ersten Ebene angeordnet. In einer anderen möglichen Weiterbildung umfasst die Anordnung mindestens vier optoelektronische Elemente, die auf mindestens einer ersten Ebene und einer zweiten Ebene angeordnet sind, und zwar so, dass mindestens drei optoelektronische Elemente auf der ersten Ebene und mindestens ein optoelektronisches Element nur auf der zweiten der beiden Ebenen angeordnet ist. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Ebene parallel zueinander angeordnet.

In einer Weiterbildung der Erfindung beleuchtet eine Lichtemissionsvorrichtung genau ein positionsempfindlicher Detektor, um eine Messzelle zu bilden. In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung werden hingegen zwei positionsempfindliche Detektoren von einer Lichtemissionseinrichtung beleuchtet, um zwei Messzellen mit einer gemeinsamen Lichtemissionseinrichtung zu bilden. Dabei wird bevorzugt zu jedem Zeitpunkt nur der eine oder der andere der beiden positionsempfindlichen Detektoren ausgelesen, so dass die Lichtemissionseinrichtung immer nur mit jeweils einem der positionsempfindlichen Detektoren eine Messzelle bildet.

Dadurch, dass also zu jedem Zeitpunkt eine Lichtemissionseinrichtung nur einem positionsempfindlichen Detektor zugeordnet ist, kann das Ausgangssignal der positionsempfindlichen Detektoren verwendet werden, um die Ströme der ihnen jeweils zugeordneten Lichtemissionseinrichtungen so zu regeln, dass auf jeden positionsempfindlichen Detektor die gleiche konstante Lichtmenge tritt. Das hat den Vorteil, dass alle Messzellen in weiten Bereichen unbeeinflusst von Temperatur und Alterungseinflüssen sowie Verschmutzung und Bauteiltoleranz sind. Die Ausgangssignale der positionsempfindlichen Infrarotdetektoren (42, 62) werden außerdem zur Weiterverarbeitung an einen Ana log/Digital-Wandler und von dort weiter an einen Mikroprozessor geleitet.

Außer den Lichtemissionseinrichtungen sind bevorzugt die positionsempfindlichen Detektoren ebenfalls auf einer an jeder Stelle planen oder konvexen, geschlossen, gedachten zweiten Fläche angeordnet, und zwar so, dass ihre jeweiligen lichtempfindlichen Seiten in einen zweiten Innenraum weisen, der durch die erste Fläche begrenzt wird. Der erste und der zweite Innenraum kommen bevorzugt teilweise oder sogar vollständig zur Deckung, so dass ein gemeinsamer Innenraum entsteht, um den die Lichtemissionseinrichtungen und positionsempfindlichen Detektoren angeordnet sind. Folglich durchquert in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung das Licht von der Lichtemissionseinrichtung einer Messzelle zum gegenüberliegenden positionsempfindlichen Detektor immer den gemeinsamen Innenraum.

Um mit der optoelektronischen Anordnung alle sechs Freiheitsgrade, also Verschiebungen entlang dreier linear unabhängiger Achsen und Drehungen um ebenfalls drei linear unabhängige Achsen, messen zu können, umfasst die Anordnung in eine bevorzugten Ausführung sechs positionsempfindliche Detektoren.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die positionsempfindlichen Detektoren in Paaren benachbarter positionsempfindlicher Detektoren angeordnet, wobei die Paare jeweils einen positionsempfindlichen Detektor zum Erfassen einer Bewegung im wesentlichen senkrecht zur ersten Ebene und einen positionsempfindlichen Detektor zum Erfassen einer Bewegung im wesentlichen waagerecht zu der ersten Ebene umfassen. Die Detektoren eines Paares können nebenein angeordnet sein, wenn sich alle Detektoren in einer Ebene befinden. Wenn die Detektoren auf zwei oder mehr Ebenen verteilt sind, können die Paare auch übereinander angeordnet sein.

Außerdem sind die Paare von positionsempfindlichen Detektoren in ihre Orientierung in im wesentlichen gleichem Winkelabstand zueinander um eine Achse gedreht, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Ebene verläuft. Umfasst die Anordnung also drei Paa re positionsempfindlicher Detektoren, sind der zweite und der dritte Detektor um im wesentlichen 1/3 bzw. 2/3 einer ganzen Umdrehung bezüglich der Orientierung des ersten positionsempfindlichen Detektors gedreht.

In einer besonders kompakten, und somit besonders bevorzugten, Bauweise sind Lichtemissionseinrichtungen, die eine geringe laterale Ausdehnung haben, jeweils zwischen zwei Paaren positionsempfindlicher Detektoren angeordnet. Vorzugsweise sind dabei auch die Paare von Lichtemissionseinrichtungen in ihrer Orientierung in im wesentlichen gleichem Winkelabstand zueinander um eine Achse gedreht, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Ebene verläuft.

Die optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen umfasst in einer bevorzugten Ausführung außerdem je eine im Strahlengang der Lichtemissionseinrichtung zwischen der Lichtemissionseinrichtung und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende, so dass nur ein schmaler Lichtbalken auf den dahinterliegenden positionsempfindlichen Detektor fällt. Die Schlitzrichtung der Schlitzblende ist im wesentlichen senkrecht zur Detektorachse des positionsempfindlichen Detektors ausgerichtet.

Lichtemissionseinrichtungen und positionsempfindliche Detektoren sind in einer besonders bevorzugten Ausführung auf der nach innen gerichteten Seite einer zylinderförmigen Platine angebracht.

Eine zylinderförmige Platine ist eine Platine, deren Fläche durch eine Zylinderfläche oder einen Teil einer Zylinderfläche definiert ist. Eine Zylinderfläche entsteht durch Parallelverschiebung einer Geraden längs einer Kurve.

Unter anderem schirmt die Platine die optoelektronischen Detektoren vor von außen kommendem Streulicht ab.

Der erfindungsgemäße Kraft- und/oder Momentensensor umfasst eine erste und eine zweite Platte, wobei die erste und zweite Platte elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind. Er umfasst außerdem die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung von Bewegungen der ersten und der zweiten Platte relativ zueinander. Dabei sind die Platten bevorzugt Leiterplatten, wobei die erste Platte alle elektronischen Komponenten, insbesondere die Lichtemissionseinrichtungen und die positionsempfindlichen Detektoren, sowie Steuerelektronik zum Regeln der Ströme der Lichtemissionseinrichtungen, ggf. Verstärker und einen Digitalteil zur Datenumwandlung und/oder andere Einrichtungen trägt. Durch Anordnen aller elektronischen Komponenten auf nur einer Leiterplatte wird der Bestückungsaufwand bei der Herstellung deutlich reduziert.

Die beiden Platten sind durch mindestens eine Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung, bevorzugt aus einer der nachfolgenden Komponenten oder Kombinationen daraus, verbunden: Schraubenfedern, Federpaket, Elastomer, Gießharz. Diese Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen nehmen die Kräfte und Drehmomente auf. Kennt man ihre elastischen Eigenschaften, lassen sich aus den relativen Positionen der beiden Platten die auf die beiden Platten relativ zueinander wirkenden Kräfte und Drehmomente messen.

Bevorzugt sind die beiden Platten mittels dreier Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen elastisch miteinander verbunden. Dabei sind die Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen bevorzugt rotationssymmetrisch um ein Zentrum angeordnet, um das auch die Messzellen angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass im Kraft- und/oder Momentensensor immer symmetrische Kräfte wirken. Besonders bevorzugt sind genau drei Feder- und Dämpfungseinrichtungen jeweils 1/3 einer ganzen Umdrehung zueinander gedreht angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführung umfasst mindestens eine der Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen mindestens einen Elastomerelement, das an seinen beiden gegebenüberliegenden Enden fest mit der ersten bzw. zweiten Platte verbunden ist. Die Elastomerelemente können so in alle Richtungen belastet werden, d.h. es können Zug- und Druckkräfte sowie quer zum Elastomerelement angreifende Kräfte wirken, ohne dass sich die Elastomerelemente in ihrem Sitz bewegen oder gar herausspringen.

Eine bevorzugte Ausführung des Kraft- und/oder Momentensensors umfasst weiterhin mindestens eine Anschlageinrichtung, welche die Relativbewegung der beiden Platten zueinander begrenzt. Dies ist vorzugsweise durch Anschlagbolzen realisiert, die fest mit einer Platte verbunden sind. Auf diese Weise wird der Kraft- und/oder Momentensensor gegen Überlastung geschützt.

Aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte ergeben sich folgende vorteilhafte Eigenschaften:

1. Äußerst kompakte Bauweise bei geringem Konstruktionsaufwand
2. Hohe Linearität, geringe Hysterese und weitgehende Verschleißfreiheit durch den Einsatz von optoelektronischen Messzellen. Aus der erfinderischen Ausgestaltung des Kraft- und/oder Momentensensors ergibt sich zusätzlich zu den obengenannten noch folgende vorteilhafte Eigenschaft:
3. Geringe Anfälligkeit auf Beschädigungen durch den Einsatz von Anschlageinrichtungen. Aus der erfinderischen Ausgestaltung der PC-Tastatur ergibt sich zusätzlich zu den obengenannten noch folgende vorteilhafte Eigenschaft:
4. Die Neue Personalcomputer-Tastatur erlaubt die unkomplizierte Eingabe von bis zu sechs Komponenten am Personalcomputer-Arbeitsplatz.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen werden für den Fachmann anhand der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung deutlich, in der auf die beigefügte Zeichnungen Bezug genommen wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

1 zeigt eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Kraft- und/oder Momentensensors mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte in perspektivischer Ansicht.

Die optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die in 1 dargestellt ist, weist sechs ILEDs 40, 60 auf, die auf der ersten Platte 120 angebracht und auf einem Kreisumfang angeordnet sind. Stellt man sich diesen Kreisumfang als Umfang einer Kugelfläche vor, so ist diese Kugelfläche eine an jeder Stelle konvexe, geschlossene, gedachte erste Fläche, auf deren Innenseite die sechs ILEDs 40, 60 so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Emissionsrichtungen in einen ersten Innenraum weisen, der durch die erste Fläche begrenzt wird. Mit anderen Worten, alle ILEDs 40, 60 leuchten von der Innenseite der gedachten Kugelfläche aus in das innere der Kugel.
Außerdem sind sechs positionsempfindliche Infrarotdetektoren als weitere optoelektronische Elemente 42, 62, auf der ersten Platte 120 angebracht. Dabei beleuchtet eine ILED 40, 60 je weils genau einen positionsempfindliche Infrarotdetektor 42, 62, um eine Messzelle zu bilden. Alle Lichtemissionseinrichtungen und positionsempfindlichen Detektoren sind in einer gemeinsamen ersten Ebene angeordnet, die parallel zur ersten Platte 120 verläuft, und der Lichtstrahl von ILED zu Detektor verläuft in der selben Ebene, in der die optoelektronischen Elemente der jeweiligen Messzelle angeordnet sind.
Wie die ILEDs 40, 60 sind auch die positionsempfindlichen Infrarotdetektoren 42, 62 auf der Platte 120 angebracht und auf einem zweiten Kreisumfang angeordnet. Stellt man sich diesen zweiten Kreisumfang ebenfalls als Umfang einer Kugelfläche vor, so ist diese Kugelfläche eine an jeder Stelle konvexe, geschlossene, gedachte zweite Fläche, auf deren Innenseite die sechs positionsempfindlichen Infrarotdetektoren 42, 62 so angeordnet sind, dass ihre dass ihre jeweiligen lichtempfindlichen Seiten in einen ersten Innenraum weisen, der durch die zweite Fläche begrenzt wird. der erste Innenraum liegt vollständig im zweiten Innenraum und damit entsteht einen gemeinsamer Innenraum, der sich mit dem ersten Innenraum deckt. Die Lichtemissionseinrichtungen 40, 60 und die positionsempfindlichen Detektoren 42, 62 sind also um den gemeinsamen Innenraum herum angeordnet. Die ILED 40, 60 und der zugehörige positionsempfindlicher Infrarotdetektor 42, 62 einer Messzelle liegen sich gegenüber und das Licht durchquert den gemeinsamen Innenraum.
Die optoelektronische Anordnung der hier vorgestellten bevorzugten Ausführung kann in sechs Freiheitsgrade Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte messen, nämlich Verschiebungen in drei linear unabhängigen Raumrichtungen und Drehungen um ebenfalls drei linear unabhängige Raumrichtungen. Zu diesem Zweck sind sechs positionsempfindliche Infrarotdetektoren 42, 62 vorgesehen, die zusammen mit den sechs ILEDs 40, 60 sechs Messzellen bilden.
Des weiteren sind die positionsempfindlichen Infrarotdetektoren 42, 62 in Paaren benachbarter positionsempfindlicher Infrarotdetektoren 42, 62 angeordnet, wobei die Paare jeweils einen positionsempfindlichen Detektor 42 zum Erfassen einer Bewegung senkrecht zur ersten Ebene und einen positionsempfindlichen Detektor 62 zum Erfassen einer Bewegung in der ersten Ebene umfassen. Außerdem sind die Paare positionsempfindlicher Infrarotdetektoren 42, 62 jeweils um 1/3 einer ganzen Umdrehung zueinander um die Achse sind, die senkrecht zur ersten Ebene verläuft. Paare von benachbarten ILEDs 40, 60 sind jeweils zwischen Paaren positionsempfindlicher Infrarotdetektoren 42, 62 angeordnet. Auch die Paare von ILEDs 40, 60 sind vorzugsweise in ihrer Orientierung in gleichen Winkelabstand zueinander um eine Achse gedreht, die senkrecht zur ersten Ebene verläuft.
Bei jeder Messzelle ist eine Schlitzblende 44, 64 im Strahlengang der ILED vor dem positionsempfindlichen Infrarotdetektor angeordnet. Sie weisen einen schmalen Schlitz auf, so dass nur ein schmaler Lichtstreifen auf den positionsempfindlichen Detektor 42, 62 fällt. Die Schlitzrichtung der Schlitzblende verläuft dabei senkrecht zur Detektorachse, also in Messrichtung, des Detektors. Dadurch, dass ein Element des Systems Lichtemissionseinrichtung 40, 60, Schlitzblende 44, 64 und positionsempfindlicher Infrarotdetektor 42, 62 relativ zu den anderen beiden Elementen bewegbar angeordnet ist, kann die Messzelle Relativbewegungen und Relativpositionen erfassen.
In der hier vorgesellten bevorzugten Anordnung ist die Schlitzblende 44, 64 relativ zum positionsempfindlichen Detektor 42, 62 und der Lichtemissionseinrichtung 40, 60 bewegbar. Die positionsempfindlichen Detektoren 42, 62 und die ILEDs 40, 60 sind auf der zylinderförmigen Platine 80 fest angeordnet. Die Schlitzblenden 44, 64, die einem Paar benachbarter Detektoren zugeordnet sind, sind zu einer einzigen Schlitzblende 44, 64 mit zwei zueinander senkrechten Schlitzen zusammengefasst.
Der ebenfalls in 1 dargestellte Kraft- und/oder Momentensensor besteht aus einer ersten Platte 120 und einer zweiten Platte, die elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind. Er ist mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zwischen der ersten Platte 120 und der zweiten Platte ausgestattet. Bei der ersten Platte 120 handelt es sich bevorzugt um eine Leiterplatte, auf der die Leiterplatte 80, welche die ILEDs 40, 60 und die positionsempfindlichen Infrarotdetektoren 42, 62 trägt, fest verlötet ist. Die erste Platte 120 trägt weiter elektronische Komponenten. Die Schlitzblenden 44, 64 sind mit der zweiten Platte fest verbunden.
Elastomerzylinder 122 wirken als Feder- und Dämpfungseinrichtungen, welche die erste Platte 120 und die zweite Platte elastisch miteinander verbinden. Die Elastomerzylinder 122 sind an ihrem einen Ende mit der ersten Platte 120 und an ihrem jeweils anderen Ende mit der zweiten Platte 140 verbunden. Es sind drei lastomerzylinder vorgesehen, die rotationssymmetrisch angeordnet sind, und zwar in der Nähe der Außenseite der Platte 120 in der Nähe der Infrarotleuchtdioden 60.
Um die Relativbewegungen oder Relativpositionen der beiden Platten 120 zu begrenzen, so dass durch Überlastung keine Beschädigung des Kraft- und/oder Momentensensors auftreten kann, sind drei Anschlageinrichtungen 124 in Form von Anschlagbolzen vorgesehen. Die Anschlagbolzen sind fest mit der zweiten Platte verbunden und ragen durch Löcher in der ersten Platte 120. Die Horizontalbewegung der ersten Platte 120 relativ zur zweiten Platte ist durch den Durchmesser der Anschlagvorrichtungen 124 und den Durchmesser der Löcher in der ersten Platte 120 bestimmt. Die Bewegung der beiden Platten 120, 140 zueinander ist durch Verdickungen an den bolzenförmigen Anschlagvorrichtungen 124 begrenzt. Der Abstand der Verdickungen von der ersten Platte 120 in Richtung der Bolzen 124 bestimmt den Bereich, in dem die ersten Platte 120 und die zweite Platte in vertikaler Richtung relativ zueinander bewegbar sind.

Claims

Optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte, die mindestens drei Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) als optoelektronische Elemente umfasst, wobei – die Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) so auf einer an allen Stellen planen oder konvexen, geschlossenen, gedachten ersten Fläche angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Emissionseinrichtungen in einen ersten Innenraum weisen, der durch die erste Fläche begrenzt wird, und – die Anordnung positionsempfindliche Detektoren (42, 62) als weitere optoelektronische Elemente umfasst und jeder positionsempfindliche Detektor (42, 62) von zumindest einer Lichtemissionseinrichtung (40, 60) beleuchtet wird, um eine Messzelle zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messzelle je eine im Strahlengang der Lichtemissionseinrichtung (40, 60) zwischen der Lichtemissionseinrichtung (40, 60) und dem positionsempfindlichen Detektor angeordnete Schlitzblende (44, 64) umfasst, wobei die Schlitzblende (44, 64) relativ zum positionsempfindlichen Detektor und der Lichtemissionseinrichtung (40, 60) bewegbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemissionseinrichtung (90, 60) und der positionsempfindliche Detektor zueinander fixiert sind.
Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) und positionsempfindlichen Detektoren (42, 62) in einer gemeinsamen ersten Ebene angeordnet sind.
Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens vier optoelektronische Elemente umfasst, und die optoelektronischen Elemente auf mindestens einer ersten Ebene und einer zweiten Ebene angeordnet sind, dergestalt, dass mindestens drei optoelektronische Elemente auf der ersten Ebene und mindestens ein optoelektronisches Element nur auf der zweiten der beiden Ebenen angeordnet ist und vorzugsweise die erste und die zweite Ebene parallel zueinander angeordnet sind.
Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtemissionseinrichtung (40, 60) jeweils genau einen positionsempfindlicher Detektor (42, 62) beleuchtet, um eine Messzelle zu bilden.
Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtemissionseinrichtung (40, 60) jeweils mindestens zwei positionsempfindliche Detektoren (42, 62) beleuchtet, um zwei Messzellen mit einer gemeinsamen Lichtemissionseinrichtung (40, 60) zu bilden.
Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die positionsempfindlichen Detektoren (42, 62) so auf einer an allen Stellen planen oder konvexen, geschlossenen, gedachten zweiten Fläche angeordnet sind, dass ihre lichtempfindlichen Seiten in einen zweiten Innenraum weisen, der durch die zweite Fläche begrenzt wird.
Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Anordnung mindestens sechs positionsempfindliche Detektoren (42, 62) umfasst um sechs Freiheitsgraden zu messen.
Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die positionsempfindlichen Detektoren (42, 62) in Paaren benachbarter positionsempfindlicher Detektoren (42, 62) angeordnet sind, wobei die Paare jeweils einen positionsempfindlichen Detektor (42) zum Erfassen einer Bewegung im wesentlichen senkrecht zur ersten Ebene und einen positionsempfindlichen Detektor (62) zum Erfassen einer Bewegung im wesentlichen in der ersten Ebene umfassen.
Optoelektronische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare von positionsempfindlichen Detektoren (42, 62) in ihre Orientierung in im wesentlichen gleichem winkelabstand zueinander um eine Achse gedreht sind, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Ebene verläuft.
Optoelektronische Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Paare von benachbarten Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) jeweils zwischen Paaren positionsempfindlicher Detektoren (42, 62) angeordnete sind, und die Paare von Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) vorzugsweise in ihrer Orientierung in im wesentlichen gleichem Winkelabstand zueinander um eine Achse gedreht sind, die im wesentlichen senkrecht zur ersten Ebene verläuft.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektorachse des positionsempfindlichen Detektors (42, 62) im wesentlichen senkrecht zu einer Schlitzrichtung der Schlitzblende (44, 64) ausgerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die positionsempfindlichen Detektoren (42, 62) und/oder die Lichtemissionseinrichtungen (40, 60) auf einer zylinderförmigen Platine 80 angebracht sind.
Kraft- und/oder Momentensensor mit einer ersten Platte (120) und einer zweiten Platte, wobei die ersten Platte (120) und die zweite Platte elastisch miteinander verbunden und relativ zueinander bewegbar sind, gekennzeichnet durch eine optoelektronische Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Kraft- und/oder Momentensensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (120) und die zweite Platte über mindestens eine Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung (122) miteinander verbunden sind.
Kraft- und/oder Momentensensor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Feder- und/oder Dämpfungseinrichtung (122) eine der nachfolgenden Komponenten oder Kombinationen daraus umfasst: Schraubenfeder, Federpaket, Elastomer, Gießharz.
Kraft- und/oder Momentensensor nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen (122) im wesentlichen rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Kraft- und/oder Momentensensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Feder- und/oder Dämpfungseinrichtungen (122) mindestens ein Elastomer- oder Federelement umfasst, das fest mit der ersten (120) und zweiten Platte verbunden ist.
Kraft- und/oder Momentensensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch mindestens eine Anschlageinrichtung (124), welche die Bewegung der ersten Platte (120) relativ zur zweiten Platte begrenzt.
Personalcomputer-Tastatur, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kraft- und/oder Momentensensor nach einem der Ansprüche 14 bis 19 aufweist.