-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Bewegungen
und Kräften.
-
2. Der Stand der Technik
-
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
ist 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 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 Konstruktionsaufwand, 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. Eine Miniaturisierung würde den Einbau z. B. in Spielkonsolen,
PC-Tastaturen oder Notebook-Computer
erlauben und dadurch eine breite Marktdurchdringung ermöglichen.
-
-
Eine
Miniaturisierung stellt allerdings erhöht Anforderungen an den Herstellungsprozess
solcher optoelektronischer Anordnungen. Zum Beispiel ist es häufig notwendig,
die positionsempfindlichen Detektoren nach der Montage zu justieren.
Diese Justierung wird aber umso schwieriger, je kleiner die Anordnung
ist. Und aus Kostengründen
ist es ohnehin wünschenswert,
ganz auf die Justierung zu verzichten.
-
Es
ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
für die
Erfassung von Bewegungen und Kräften
anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet
und insbesondere eine kleine Bauform ermöglicht, die einfach und kostengünstig hergestellt
werden kann.
-
3. Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird dieses Problem gelöst durch eine Vorrichtung zur
Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften mit mindestens eine Lichtquelle,
mindestens einen positionsempfindlichen Detektor (Position Sensitive Device,
PSD) und mindestens einer Blende, wobei mindestens eines der drei
Elemente gegenüber
den beiden anderen Elementen beweglich ist. Insbesondere ist die
Lichtquelle so an einer Halterung angeordnet ist, dass Licht aus
der Lichtquelle durch eine Aussparung in der Halterung und durch
die mindestens eine Blende auf den mindestens einen PSD fällt.
-
In
der bekannten optoelektronischen Messvorrichtung ist eine Lichtemissionsdiode
(LED) auf einer Seite einer Platine angebracht und strahlt ihr Licht
auf dieser Seite der Platine aus. Die Ausdehnung dieser Messvorrichtung
wird dabei wesentlich durch die Strecke zwischen der Platine mit
der LED und dem PSD bestimmt. Eine einfache Umkehr der Anordnung
erlaubt nun eine wesentlich kompaktere Bauweise: Indem eine Lichtquelle
ihr Licht durch eine Aussparung in einer Halterung, also genau entgegengesetzt
der herkömmlichen
Richtung, ausstrahlt, wird Platz gewonnen, da die Halterung der
Lichtquelle in den Raum zwischen der Lichtquelle und dem PSD verlagert
wird.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Vorrichtung mehrere Halterungen auf, die so angeordnet
sind, dass sie einen Innenbereich abgrenzen. Dabei befinden sich
die Lichtquellen in dem Innenbereich und die PSD außerhalb
des Innenbereichs.
-
Indem
die Halterungen der Lichtquellen einen Innenbereich abgrenzen, wird
ein kompaktes Zentrum gebildet. Anders als im Stand der Technik, wo
sperrige Halterungen oder Platinen das Zentrum bilden, befinden
sich in dem Innenbereich kompakte Lichtquellen, so dass weniger
Platz benötigt
wird. Da jede Lichtquelle ihr Licht durch eine Aussparung in der
Halterung abstrahlt, wirkt die Aussparung wie eine Abblendung und
bietet daher gleichzeitig Schutz gegen Streulicht der Lichtquelle
auf solche PSDs, die der Lichtquelle nicht zugeordnet sind.
-
Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die Halterung aus einer Platine und die Lichtquelle
aus einer Lichtemissionsdiode (LED) gebildet wird, und wobei die
LED direkt über
einem Loch in der Platine angeordnet ist, so dass die LED ihr Licht
durch das Loch abstrahlt. Die Verwendung dieser Komponenten erlaubt
eine besonders einfache Aufbautechnik, bei der eine simple Bohrung
in einer Platine die das Licht leitende Aussparung oder Abblendung
bildet.
-
Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung sechs Halterungen aufweist,
die zu einem Sechseck angeordnet sind. Damit kann eine Vorrichtung
zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften gebildet
werden, die Verschiebungen entlang von drei Achsen und Winkeldrehungen um
drei Achsen erfassen kann. Die sechseckige Anordnung gewährleistet
gleichzeitig eine möglichst kompakte
Form des Innenbereichs.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
werden die Halterungen aus mindestens einer Platine gebildet und
sind durch eine Schicht der Platine beweglich verbunden. Dies trägt zu einer
weiteren Vereinfachung des Aufbaus der Vorrichtung bei, da mehrere Halterungen
nicht separat, sondern aus einer einzigen Platine hergestellt werden
können.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Blende, durch die Licht aus der Lichtquelle auf den PSD
fällt,
eine Schlitzblende. Alternativ dazu kann die Blende eine Punktblende
sein. Beide Varianten haben jeweils Vorteile: Die Messung von Positionen mit
Hilfe von Schlitzblenden ist ein einfaches und robustes Verfahren.
Mit Hilfe einer Punktblende kann die Position eines Punktes in zwei
Dimensionen auf dem PSD erfasst werden, so dass die Messvorrichtung
weniger Komponenten erfordert.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zur Eingabe
von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften weiterhin einen Träger mit
einem Langloch zur Aufnahme eines Vorsprungs eines PSD-Halters sowie
einen Anschlag auf. Der Anschlag ist so angeordnet, dass er eine
Bewegung des PSD-Halters
entlang des Langlochs verhindert.
-
In
dieser Ausführungsform
wird insbesondere das Problem gelöst, einen PSD nach seiner Montage
auf einem Träger
justieren zu müssen.
Dieses Problem entsteht, wenn ein PSD-Halter mit einem Vorsprung
in einem Langloch des Trägers
fixiert wird. Da Langlöcher
aufgrund der verwendeten kreisförmigen
Werkzeuge an ihren Enden rund sind, kann der PSD-Halter in der Hauptrichtung
des Langlochs nicht genau positioniert werden. Die Erfindung löst dieses Problem
gemäß einem
Aspekt durch einen Anschlag an dem Träger, der eine Bewegung des
PSD-Halters entlang
des Langlochs verhindert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, den
PSD nach der Montage zu justieren, was die Herstellung wesentlich
vereinfacht und auch Voraussetzung für eine Miniaturisierung der
Vorrichtung ist.
-
In
bevorzugten Ausführungsformen
wird der Anschlag durch eine Aussparung in dem Träger gebildet,
die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Langloch erstreckt. Weiterhin
kann die Aussparung durch eine Einbuchtung am Rand des Trägers gebildet
werden. Bevorzugt ist es auch, dass der PSD-Halter einen Zapfen
aufweist, so dass der Zapfen in die Aussparung eingreift.
-
Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
sind in weiteren abhängigen
Patentansprüchen
beschrieben.
-
4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
In
der folgenden detaillierten Beschreibung werden gegenwärtig bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben:
-
1:
zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von
Kräften
gemäß der Erfindung;
-
2:
zeigt eine Ansicht einer Lichtquelle gemäß der Erfindung;;
-
3:
zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Lichtquellen
gemäß der Erfindung;
-
4:
zeigt eine Aufsicht eines Teils eines Trägers der Vorrichtung mit einer
Seitenansicht eines Teils eines PSD-Halters; und
-
5:
zeigt eine bevorzugte Ausführungsform
der Lichtquelle aus 2.
-
5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
-
Im
Folgenden werden gegenwärtig
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung
zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften beschrieben.
Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Erfindung auch in anderen
Bereichen, zum Beispiel zum Messen von Beschleunigungen, eingesetzt
werden kann.
-
1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 1 zur Eingabe
von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften, die im Folgenden auch
als 3D-Messsystem 1 bezeichnet
wird.
-
Wie
man in 1 erkennt, besteht ein Basismesssystem 2 des
3D-Messsystems 1 aus einer lichtemittierenden Diode (LED) 11,
einer Schlitzblende 21 und einem linearen positionsempfindlichen
Detektor (Position Sensitive Device, PSD) 31. Sechs solcher
Basismeßsysteme 2 sind – jeweils
um 60 Grad versetzt – in
einer Ebene angeordnet, wobei die Schlitzblenden 20, 21 und
die PSDs 30, 31 alternierend zueinander um 90
Grad gedreht sind, also parallel oder senkrecht zu dieser Ebene
liegen. Mit anderen Worten, benachbarte Schlitzblenden 20, 21 sind
zueinander senkrecht, benachbarte PSDs 30, 31 sind
zueinander senkrecht, und auch die Schlitzblende 21 und
ihr außen
gegenüberliegender
PSD 31 sind zueinander senkrecht.
-
Der
innere Zylinder 12 in 1 symbolisiert eine
Anordnung von sechs LEDs 10, 11, die im Folgenden
genauer beschrieben wird. Die sechs LEDs 10, 11 beleuchten
direkt sechs beweglich angeordnete Schlitzblenden 20, 21,
die auf dem Blendenring 22, d. h. dem zweiten Zylinder
von innen, angeordnet sind. Die Schlitzblenden 20, 21 sind
mit einer Steuerkappe oder Steuerkugel (nicht dargestellt) verbunden,
wodurch die eingeleiteten Kräfte
und Momente direkt auf die beweglichen Schlitzblenden 20, 21 übertragen
werden. Da die LEDs 10, 11 und PSDs 30, 31 fest
mit der Vorrichtung 1 verbunden sind, werden die von den
Schlitzblenden 20, 21 ausgehenden Lichtstriche 50, 51 von
PSDs 30, 31 auf dem äußeren Zylinder 32 detektiert.
-
Wie
in 1 zu erkennen ist, können durch die symmetrische
Anordnung der Basismeßsysteme 2 räumliche
Auslenkungen in x, y und z-Richtung und die korrespondierenden Rotationen
Dx, Dy und Dz erfasst werden. Diese Auslenkungen werden dann durch
die PSDs 30, 31 in elektrische Spannungen umgewandelt,
dann in Ortskoordinaten transformiert und über eine Schnittstelle ausgegeben.
-
Durch
seinen Aufbau arbeitet das 3D-Messsystem 1 unbeeinflusst
von Temperatur, Alterung, Verschmutzung und Bauteiletoleranzen und
ist damit hervorragend für
industrielle Anwendungen geeignet. Das komplette 3D-Messsystem 1 wurde
so optimiert, dass es inklusive analoger Signalaufbereitung, Analog-Digital-Wandlung, Rechnerauswertung
und Spannungsversorgung auf eine Seite einer kleinen SMD-Platine
passt.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
sitzt der Ring 32 mit den PSDs 30, 31 auf
der Innenseite der Steuerkappe/Steuerkugel (nicht dargestellt),
die über
Spiralfedern mit dem 3D-Messsystem 1 verbunden ist.
-
Da
die Meßgrößen in der
Position der ausgelenkten Lichtstriche 50, 51 und
nicht in der an den PSDs 30, 31 ankommenden Intensität stecken,
ist das Messprinzip gegen Intensitätsschwankungen, z. B. durch
Alterung der LEDs 10, 11, völlig unempfindlich. Die Umrechnungsmatrix
zwischen den Spannungen der PSDs 30, 31 und den
durch Kräfte
bzw. Momente erzeugten Verschiebungen bzw. Verdrehungen erfordert
keine Eichung.
-
Als
PSD 30, 31 wird vorzugsweise eine Lateraleffektdiode
verwendet, deren Vorteile ihre Einfachheit (direkte Detektion des
Schwerpunkts des einfallenden Lichts und daher eine geringe Datenmenge), die
große
nutzbare Sensorfläche
und die sehr kurze Ansprechzeit sind. Der auftreffender Lichtstrahl
erzeugt auf dem PSD 30, 31 einen Photostrom (Ansprechzeit < 3 μs), der in
zwei zueinander orthogonalen Richtungen gemessen wird. Die Position
des Lichtpunktes wird aus den einzelnen Photoströmen berechnet. Das gewünschte Lagesignal
lässt sich durch
eine Differenzbildung (U1–U2)
der beiden Spannungen U1 und U2 bestimmen, die zu den Ausgangsströmen I1 und
I2 der PSDs 30, 31 proportional sind. Die genaue
Relativposition ist somit (U1 – U2)/(U1
+ U2).
-
Prinzipiell
ist die Größe der Lichtpunkte
oder Lichtstriche 50, 51 auf den PSDs 30, 31 bedeutungslos,
da nur dessen Schwerpunkt detektiert wird. Es ist jedoch ein kleiner
Lichtpunkt anzustreben, damit die ganze Fläche des PSDs 30, 31 zur
Messung genutzt werden kann. Eine entsprechende fokussierbare Optik
(LED Linsenkopf) ist daher von Vorteil. Bei der Regelung der Lichtintensität ist darauf
zu achten, dass noch genügend
Intensität
zur Erzeugung der Photoströme
vorhanden ist. Ist die Intensität
zu klein, kann das Signal vom Rauschen schlecht getrennt werden; ist
sie zu groß,
kommt es zu Sättigungseffekten,
die die Position verfälschen.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
wird statt der Schlitzblenden 20, 21 eine Punktblende (nicht
dargestellt) verwendet. Damit lässt
sich auf einem PSD 30, 31 statt der eindimensionalen
Auslenkung der Schlitzblende 20, 21 eine zweidimensionale Position
der Punkblende erfassen. Auf diese Weise kann das 3D- Messystem 1 durch
eine geringere Anzahl von Basismeßsystemen 2 realisiert
werden.
-
In
weiteren alternativen Ausführungsformen weist
das 3D-Messsystem 1 weniger als sechs Basismesssysteme 2 auf,
um eine geringere Anzahl von Freiheitsgraden zu erfassen.
-
2 zeigt
eine Ansicht einer Lichtquelle 10 gemäß der Erfindung. Man erkennt
darin die Lichtquelle 10 mit Zuleitungen 13, die
auf einer Halterung 14 angeordnet sind. Die Lichtquelle 10 strahlt
ihr Licht jedoch nicht nach oben ab, sondern sie ist nach unten
gebogen und sendet ihr Licht durch eine Aussparung 15 in
der Halterung 14 aus. Bevorzugt ist die Aussparung 15 ein
Kreis, der etwas kleiner als ein horizontaler Durchmesser der LED 10 ist.
Besonders bevorzugt, da einfach herzustellen, wird diese Anordnung
durch eine LED 10 auf einer Platine 14 realisiert,
in die ein Loch 15 gebohrt wird.
-
3 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Lichtquellen 10 gemäß der Erfindung,
in der lediglich Lichtquellen 10 und Halterungen 14 mit
Aussparungen 15 dargestellt sind. Diese Anordnung bildet
eine bevorzugte Ausführungsform
des inneren Zylinders 12 aus 1. Wie zu
erkennen, sind die Halterungen 14 so angeordnet, dass sie
einen Innenbereich 16 begrenzen, so dass die Lichtquellen 10 sich
in dem Innenbereich 16 befinden. Bevorzugt werden sechs
Halterungen 14 zu einem Sechseck angeordnet und besonders bevorzugt,
wie in 3 dargestellt, zu einem regelmäßigen Sechseck.
-
In 3 wird
insbesondere deutlich, dass die Anordnung der Lichtquelle 10,
die in 2 dargestellt ist, zu einer besonders kleinen
Bauform des 3D-Messsystems 1 aus 1 führt. Diese
Anordnung erlaubt es nämlich,
die Lichtquellen 10 wesentlich näher zusammenzurücken, als
wenn sie sich in der üblichen
Weise außerhalb
des Innenbereichs 16 befinden. Da die Ausdehnung des 3D-Messsystems 1 von
der Entfernung der Lichtquelle 11 zu dem PSD 31 bestimmt
wird (siehe 1), ist damit eine wesentlich
kleinere Bauform möglich.
-
Ein
weiterer Vorteil der Anordnung aus 3 ist ein
Schutz gegen Streulicht. Da jede Lichtquelle 10 ihr Licht
durch eine Aussparung 15 in der Halterung 14 abstrahlt,
wirkt die Aussparung 15 wie eine Abblendung und bietet
daher Schutz gegen Streulicht der Lichtquelle 10 auf solche
PSDs, die ihr nicht zugeordnet sind, zum Beispiel den PSD 31 in 1. Zum
Schutz gegen Streulicht trägt
auch bei, dass die Halterungen 14 eine geschlossene Fläche bilden.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
(nicht dargestellt) werden vier Halterungen 14 zu einem Viereck
und bevorzugt zu einem Quadrat angeordnet. Damit ist es möglich, räumliche
Auslenkungen in zwei Richtungen und die korrespondierenden zwei Rotationen
zu erfassen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
(nicht dargestellt) werden mehrere Halterungen aus einer Platine
gebildet und sind durch eine Schicht der Platine beweglich verbunden.
Dies trägt
zu einer weiteren Vereinfachung des Aufbaus der Vorrichtung bei, da
mehrere Halterungen nicht separat, sondern aus einer einzigen Platine
hergestellt werden können. Gleichzeitig
ist es nicht erforderlich, die einzelnen Halterungen untereinander
zu verbinden, da die Halterungen durch eine Schicht der Platine,
zum Beispiel eine schon vorhandene Kupferfolie auf der Außenseite
der Platine, beweglich miteinander verbunden sind. Dies kann erreicht
werden, indem die Platine nur teilweise, bis auf die Kupferfolie,
in die einzelnen Halterungen getrennt wird. Die Verbindung der Halterungen
untereinander erhöht
die Stabilität
des Aufbaus, erleichtert die Montage und verhindert außerdem,
dass Streulicht aus dem Innenbereich 16 nach außen dringt
(vgl. 3).
-
4 zeigt
eine Aufsicht eines Teils eines Trägers 40 des 3D-Messsystems 1,
zusammen mit einer Seitenansicht eines Teils eines PSD-Halters 33. In
einer Ausführungsform
dient der Träger 40 zur
Fixierung des mindestens einen PSD- Halters 33, auf dem der PSD
(nicht dargestellt) befestigt ist. Wie zu erkennen, wird der PSD-Halter 33 durch
einen Vorsprung 34 in einem Langloch 41 des Trägers 40 fixiert,
so dass er im Wesentlichen senkrecht auf dem Träger 40 angeordnet
ist.
-
Wie
weiterhin in 4 zu erkennen, weist der der
Träger 40 einen
Anschlag 42 auf, der eine Bewegung des PSD-Halters entlang
des Langlochs 41 verhindert. Bevorzugt wird der Anschlag 42 durch eine
Aussparung 42 in dem Träger 40 gebildet,
die sich senkrecht zu dem Langloch 41 erstreckt. Besonders
bevorzugt ist die Aussparung 42 eine Einbuchtung 42 am
Rand des Trägers 40.
Dies erleichtert die Herstellung des Anschlags 42.
-
Der
Anschlag 42 dient zur Aufnahme eines Zapfens 35 des
PSD-Halters 33, der die Bewegung des PSD-Halters 33 entlang
des Langlochs 41 verhindert und damit eine exakte Positionierung
des PSD-Halters 33 ermöglicht.
-
In
dieser Ausführungsform
wird insbesondere das im Stand der Technik häufige Problem gelöst, einen
PSD nach seiner Montage auf einem Träger justieren zu müssen. Da
Langlöcher 41 aufgrund
der verwendeten kreisförmigen
Werkzeuge abgerundete Enden 43 haben, kann der PSD-Halter 33 in
der Hauptrichtung des Langlochs 41 nicht genau positioniert
werden. Indem die Bewegung des PSD-Halters durch die oben beschriebene
Anordnung exakt positioniert wird, entfällt die Notwendigkeit, den
PSD nach der Montage zu justieren. Dies vereinfacht die Herstellung
des 3D-Messsystems 1 wesentlich und ist auch eine Voraussetzung
für dessen
Miniaturisierung.
-
In
bevorzugten Ausführungsformen
wird der Anschlag 42 durch eine Aussparung 42 in
dem Träger 40 gebildet,
die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Langloch 41 erstreckt.
Dies erlaubt eine besonders präzise
Positionierung des PSD-Halters 33 auf
dem Träger 40.
Weiterhin kann die Aussparung 42 durch eine Ein buchtung 42 am
Rand des Trägers 40 gebildet
werden, wie in 4 zu erkennen, was wiederum
besonders einfach herzustellen ist.
-
5 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Lichtquelle aus 2. Man erkennt darin wiederum
die Lichtquelle 10 mit Zuleitungen 13, die auf
einer Halterung 14 angeordnet sind. Die Lichtquelle 10 sendet
ihr Licht durch eine Aussparung 15 in der Halterung 14 aus.
Bevorzugt handelt es sich bei der Halterung 14 um eine
Platine. Wie in 5 zu erkennen, ragt die Lichtquelle 10 mit
der Seite, mit der sie Licht aussendet, geringfügig über die Halterung 14 hinaus.
Bevorzugt ist es, wenn die Halterung 14 eine Platine mit
einer Dicke von 1 mm ist und die Lichtquelle 10 0,2 mm über diese
Platine hinausragt.