DE102021125445B4

DE102021125445B4 - Device for detecting a relative movement and 3D input device

Info

Publication number: DE102021125445B4
Application number: DE102021125445.0A
Authority: DE
Inventors: Volker Senft
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2041-10-01
Also published as: DE102021125445A1

Abstract

Vorrichtung (10) zur Erfassung einer Relativbewegung, insbesondere in 3 Dimensionen, miteiner Basis (20),einem relativ zu der Basis (20) bewegbaren Bewegungselement (30) und einer Vielzahl von Sensorelementen (16), wobei jedes Sensorelement (16) eine Lichtquelle (14) und einen Lichtsensor (12) aufweist, wobei der Lichtsensor (12) von der Lichtquelle (14) teilweise beleuchtet wird,wobei je Sensorelement (16) die jeweilige Lichtquelle (14) mit der Basis (20) oder dem Bewegungselement (30) verbunden ist und der entsprechende Lichtsensor (12) mit dem jeweils anderen der Basis (20) und dem Bewegungselement (30) verbunden ist,wobei es sich bei den Lichtsensoren (12) um PSD handelt,wobei keine Blende zwischen Lichtquelle (14) und PSD angeordnet ist.Device (10) for detecting a relative movement, in particular in 3 dimensions, with a base (20), a movement element (30) movable relative to the base (20) and a plurality of sensor elements (16), each sensor element (16) having a light source (14) and a light sensor (12), the light sensor (12) being partially illuminated by the light source (14), the respective light source (14) for each sensor element (16) being connected to the base (20) or the movement element (30 ) and the corresponding light sensor (12) is connected to the other of the base (20) and the moving element (30), the light sensors (12) being PSD, with no aperture between the light source (14) and PSD is arranged.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relativbewegung insbesondere in drei Dimensionen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein 3D Eingabegerät mit einer solchen Vorrichtung und ein Terminal oder Endgerät mit einer solchen 3D Eingabegerät.The present invention relates to a device for detecting a relative movement, in particular in three dimensions. Furthermore, the present invention relates to a 3D input device with such a device and a terminal or end device with such a 3D input device.

3D Eingabegeräte mit optischen Sensoren sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei weisen die 3D Eingabegeräte eine Lichtquelle insbesondere eine LED und einen optischen Sensor auf, wobei mittels einer Blende das Licht der Lichtquelle auf den optischen Sensor abgebildet wird. Die optischen Sensoren oder die Lichtquellen sind dabei mit einer relativ zu einer Basis bewegbaren Bewegungselement verbunden, wobei sich aufgrund der Bewegung des Bewegungselements die Abbildung der Lichtquellen auf die optischen Sensoren ändert und hieraus eine Relativbewegung zwischen den Bewegungselement und der Basis ermittelt werden kann. Neben den vielen Vorteilen bleibt der Nachteil des erforderlichen Bauraumes. Aufgrund der optischen Abbildung der Lichtquelle auf die jeweiligen optischen Sensoren ist eine Mindestgröße erforderlich, die wiederum den Einsatz von 3D Sensoren in miniaturisierter Form verhindert.3D input devices with optical sensors are already known from the prior art. The 3D input devices have a light source, in particular an LED, and an optical sensor, with the light from the light source being imaged onto the optical sensor by means of a diaphragm. The optical sensors or the light sources are connected to a moving element that can be moved relative to a base, whereby the image of the light sources on the optical sensors changes due to the movement of the moving element and a relative movement between the moving element and the base can be determined from this. In addition to the many advantages, the disadvantage of the required installation space remains. Due to the optical imaging of the light source on the respective optical sensors, a minimum size is required, which in turn prevents the use of 3D sensors in miniaturized form.

DE 10 2006 058 805 A1 und DE 10 2004 051 565 A1 zeigen Vorrichtungen zur Erfassung einer Relativbewegung des Stands der Technik, wobei der Lichtstrahl einer Lichtquelle durch eine Blende auf einen Sensor aufgebracht wird. DE 10 2006 058 805 A1 and DE 10 2004 051 565 A1 show devices for detecting a relative movement of the prior art, wherein the light beam of a light source is applied to a sensor through an aperture.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relativbewegung sowie eine 3D Eingabegerät zu schaffen, welche kompakt ausgebildet werden können und insbesondere einfach aufgebaut sind.The object of the present invention is therefore to create a device for detecting a relative movement and a 3D input device which can be made compact and, in particular, have a simple structure.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch ein 3D Eingabegerät gemäß Anspruch 19 sowie ein Terminal bzw. ein Endgerät gemäß Anspruch 20.The object is achieved by a device according to claim 1, by a 3D input device according to claim 19 and a terminal or end device according to claim 20.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Relativbewegung weist eine Basis auf und ein relativ zu der Basis bewegbares Bewegungselement. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Vielzahl von Sensorelementen auf, wobei jedes Sensorelement insbesondere genau eine Lichtquelle und insbesondere genau einen Lichtsensor aufweist, wobei Lichtsensor und Lichtquelle angeordnet sind, sodass der Lichtsensor zumindest teilweise durch die Lichtquelle beleuchtet wird. Insbesondere handelt es sich bei der Lichtquelle um eine LED. Hierzu sind die jeweiligen Lichtquellen mit der Basis oder den Bewegungselement verbunden, wobei die entsprechenden Lichtsensoren mit dem jeweils anderen der Basis und dem Bewegungselement verbunden sind, sodass eine Bewegung des Bewegungselements eine Veränderung der Beleuchtung der Lichtsensoren bewirkt, welche von den Lichtsensoren detektiert, sodass die Position bzw. Bewegung des Bewegungselements relativ zu der Basis ermittelbar ist. Ist beispielsweise für eines der Sensorelemente der Lichtsensor an der Basis angeordnet, so ist mindestens eine Lichtquelle desselben Sensorelements an den Bewegungselement angeordnet und andersherum. Weiterhin handelt es sich erfindungsgemäß bei den Lichtsensoren um Positionssensitive Detektoren (PSD-Position sensitive detector). Bei einem PSD handelt es sich üblicherweise um ein Halbleiterbauteil, welches die Position eines Lichtpunktes auf der Sensorfläche erfassen kann. Der Lichtpunkt ist beim eindimensionalen PSD an der Stelle, wo sich die Lichtebene und die lichtempfindliche Sensorfläche des PSDs kreuzen. Diese Sensoren sind bekannt (https://de.wikipedia.org/wiki/Position_Sensitive_Device) und werden in unterschiedlichen Anwendungen bereits eingesetzt.The device according to the invention for detecting a relative movement has a base and a movement element that can be moved relative to the base. Furthermore, the device has a large number of sensor elements, each sensor element having in particular precisely one light source and in particular precisely one light sensor, the light sensor and light source being arranged such that the light sensor is at least partially illuminated by the light source. In particular, the light source is an LED. For this purpose, the respective light sources are connected to the base or the movement element, with the corresponding light sensors being connected to the other of the base and the movement element, so that a movement of the movement element causes a change in the illumination of the light sensors, which is detected by the light sensors, so that the Position or movement of the moving element can be determined relative to the base. For example, if the light sensor for one of the sensor elements is arranged on the base, then at least one light source of the same sensor element is arranged on the movement element and vice versa. Furthermore, according to the invention, the light sensors are position-sensitive detectors (PSD position-sensitive detectors). A PSD is usually a semiconductor component that can detect the position of a point of light on the sensor surface. In the one-dimensional PSD, the point of light is at the point where the light plane and the light-sensitive sensor surface of the PSD intersect. These sensors are known (https://de.wikipedia.org/wiki/Position_Sensitive_Device) and are already being used in various applications.

Somit wird eine kompakte optische Vorrichtung geschaffen zur Erfassung einer Relativbewegung zwischen der Basis und dem relativ dazu bewegbaren Bewegungselement. Insbesondere aufgrund der PSD ist hierbei eine kompakte Ausgestaltung möglich.A compact optical device is thus created for detecting a relative movement between the base and the movement element movable relative thereto. In particular, due to the PSD, a compact design is possible.

Vorzugsweise handelt es sich bei mindestens einem der Lichtsensoren, mehreren der Lichtsensoren und vorzugsweise bei allen Lichtsensoren der Vorrichtung um eindimensionale PSD, welche Bewegungen der Beleuchtung auf derselben Sensorfläche entlang einer Achse erfassen. Hierdurch wird ein besonders einfacher Aufbau erreicht, da insbesondere ein im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Strom des PSD und der Position der Beleuchtung auf der Sensorfläche des jeweiligen PSDs erreicht werden kann.Preferably, at least one of the light sensors, several of the light sensors, and preferably all of the light sensors of the device are one-dimensional PSDs that detect movements of the lighting on the same sensor area along one axis. This achieves a particularly simple structure, since in particular an essentially linear relationship can be achieved between the current of the PSD and the position of the illumination on the sensor surface of the respective PSD.

Vorzugsweise sind sechs Sensorelemente vorgesehen zur Erfassung der Bewegung des Bewegungselements in alle Raumrichtungen, d.h. entlang drei Raumachsen und drei Drehungen. Somit ist es möglich, durch die Vorrichtung eine vollständige dreidimensionale Erfassung der Relativbewegung zu gewährleisten.Six sensor elements are preferably provided for detecting the movement of the movement element in all spatial directions, i.e. along three spatial axes and three rotations. It is thus possible to ensure complete three-dimensional detection of the relative movement by the device.

Vorzugsweise sind drei senkrechte/vertikale Sensorelemente entlang einer ersten gemeinsamen Achse angeordnet und drei horizontale Sensorelemente entlang einer zweiten gemeinsamen Achse angeordnet, wobei die erste gemeinsame Achse und die zweite gemeinsame Achse senkrecht zu einander stehen. Dabei betrifft die Bezeichnung „senkrecht“ und „horizontal“ lediglich eine bevorzugte Orientierung bei Verwendung der Vorrichtung, wovon selbstverständlich abgewichen werden kann, solange die erste gemeinsame Achse senkrecht zur zweiten gemeinsamen Achse steht. Durch diese Anordnung ist eine ausreichende Information gegeben insbesondere zur vollständigen Erfassung der Relativbewegung des Bewegungselements relativ zur Basis in alle Raumrichtungen.Preferably, three perpendicular/vertical sensing elements are arranged along a first common axis and three horizontal sensing elements are arranged along a second common axis, the first common axis and the second common axis being perpendicular to each other. The term "vertical" and "horizontal" only refers to one before preferred orientation when using the device, which can of course be deviated from as long as the first common axis is perpendicular to the second common axis. This arrangement provides sufficient information, in particular for complete detection of the relative movement of the moving element relative to the base in all spatial directions.

Vorzugsweise sind die senkrechten Sensorelemente und die horizontalen Sensorelemente umlaufend entlang eines Umfangs des Bewegungselementes abwechseln angeordnet.Preferably, the vertical sensor elements and the horizontal sensor elements are arranged alternately circumferentially along a circumference of the moving element.

Vorzugsweise sind die Sensorelemente in einem gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet, wobei der Winkelabstand insbesondere 60° beträgt. Hierdurch wird insbesondere bei Vorsehen von abwechselnd angeordneten senkrechten Sensorelementen und horizontalen Sensorelementen sichergestellt, dass keine Positionsinformation durch einen einzelnen Sensorelementen ermittelt werden und somit eine Erfassung der Relativbewegung des Bewegungselements relativ zu der Basis in alle Raumrichtungen gewährleistet werden kann.The sensor elements are preferably arranged at the same angular distance from one another, the angular distance being in particular 60°. This ensures, particularly when alternating vertical sensor elements and horizontal sensor elements are provided, that no position information is determined by a single sensor element and thus detection of the relative movement of the moving element relative to the base in all spatial directions can be ensured.

Erfindungsgemäß ist keine Blende zwischen den jeweiligen Lichtquelle, insbesondere den LEDs, und den jeweiligen PSDs der Sensorelemente angeordnet. Hierdurch kann der erforderliche Bauraum weiter reduziert werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich eine Abbildung der Lichtquelle auf die Sensorfläche des PSD zu erzielen, sodass kein Mindestabstand zwischen Lichtquelle und PSD mehr erforderlich ist.According to the invention, no screen is arranged between the respective light source, in particular the LEDs, and the respective PSDs of the sensor elements. As a result, the space required can be further reduced. In particular, it is not necessary to image the light source onto the sensor surface of the PSD, so that a minimum distance between the light source and the PSD is no longer required.

Vorzugsweise sind keine weiteren optischen Elemente wie Linsen zwischen der Lichtquelle und der PSD angeordnet. Hierdurch wird der Aufbau weiter vereinfacht und ein Mindestabstand zwischen den jeweiligen Lichtquellen und Lichtsensoren ist nicht erforderlich.Preferably, no further optical elements such as lenses are arranged between the light source and the PSD. This further simplifies the construction and a minimum distance between the respective light sources and light sensors is not required.

Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem jeweiligen PSD weniger als 5 mm und bevorzugt weniger als 2 mm. Durch den geringen Abstand zwischen Lichtquelle und PSD ist eine kompakte Bauweise der Vorrichtung möglich. Aufgrund des geringen Abstands wird sichergestellt, dass keine vollständige Beleuchtung der Sensorfläche des PSD erfolgt, sondern nur eine teilweise Beleuchtung der Sensorfläche der PSD, sodass eine Relativbewegung des Bewegungselements relativ zur Basis zu einer Veränderung der Beleuchtung der Sensorfläche des PSD führt, welche zur Detektion der Bewegung bzw. geänderten Position herangezogen werden kann.The distance between the light source and the respective PSD is preferably less than 5 mm and preferably less than 2 mm. Due to the small distance between the light source and the PSD, a compact design of the device is possible. Due to the small distance, it is ensured that the sensor surface of the PSD is not completely illuminated, but only partially illuminated, so that a relative movement of the moving element relative to the base leads to a change in the illumination of the sensor surface of the PSD, which leads to the detection of the Movement or changed position can be used.

Vorzugsweise weist die LED einen Durchmesser von weniger als 4 mm und bevorzugt weniger als 2 mm auf. Hierdurch kann einerseits der erforderliche Bauraum weiter reduziert werden. Gleichzeitig kann jedoch der Abstand zwischen Lichtquelle und PSD weiter verringert werden aufgrund der geringen Baugröße der LED, um lediglich eine teilweise Beleuchtung der Sensorfläche der PSD zu erreichen.The LED preferably has a diameter of less than 4 mm and preferably less than 2 mm. As a result, on the one hand, the space required can be further reduced. At the same time, however, the distance between the light source and the PSD can be further reduced due to the small size of the LED in order to achieve only partial illumination of the sensor surface of the PSD.

Vorzugsweise sind alle LED am Bewegungselement angeordnet. Alternativ hierzu sind alle LED an der Basis angeordnet. Da keine besonderen Anforderungen an die Ansteuerung der LEDs gestellt werden, können alle LEDs der jeweiligen Sensorelemente gemeinsam angesteuert werden. Sind diese allesamt am Bewegungselement oder an der Basis angeordnet wird hierdurch der Aufbau und insbesondere die Stromversorgung der Lichtquellen vereinfacht.All LEDs are preferably arranged on the moving element. Alternatively, all LEDs are arranged on the base. Since there are no special requirements for the control of the LEDs, all LEDs of the respective sensor elements can be controlled together. If these are all arranged on the moving element or on the base, this simplifies the construction and in particular the power supply of the light sources.

Vorzugsweise ist die Basis mit dem Bewegungselement mittels Feder miteinander verbunden. Hierdurch wird eine Bewegung des Bewegungselements relativ zur Basis entgegen der entstehenden Federkraft ausgeführt, wobei nach der Bewegung das Bewegungselement wieder in eine Neutralstellung zurückgeführt wird.The base is preferably connected to the moving element by means of a spring. As a result, a movement of the movement element is carried out relative to the base against the resulting spring force, the movement element being returned to a neutral position after the movement.

Vorzugsweise sind die Federn elektrisch leitfähig ausgebildet und elektrisch verbunden mit den am Bewegungselement angeordneten Lichtquellen und/oder Lichtsensoren der Sensorelemente. Somit können über die elektrisch leitfähig ausgebildeten Federn eine Stromversorgung der LEDs beziehungsweise der PSDs bereitgestellt werden, ohne zusätzliche Elemente zwischen dem Bewegungselement und der Basis vorzusehen. Hierdurch vereinfacht sich der Aufbau und gleichzeitig kann erforderlicher Bauraum für eine zusätzliche Verkabelung eingespart werden.The springs are preferably designed to be electrically conductive and electrically connected to the light sources and/or light sensors of the sensor elements arranged on the moving element. A power supply for the LEDs or the PSDs can thus be provided via the electrically conductive springs without providing additional elements between the moving element and the base. This simplifies the construction and at the same time the space required for additional cabling can be saved.

Vorzugsweise weist das Bewegungselement eine Kappe auf oder ist als Kappe ausgebildet, wobei die Kappe von einem Benutzer gegriffen werden kann. Alternativ oder zusätzlich hierzu weist das Bewegungselement ein Griffelement auf zum Greifen des Bewegungselement durch den Benutzer wobei das Griffelement eine erste Grifffläche beispielsweise ausgebildet als Mulde und/oder angeraut Grifffläche, und eine gegenüberliegende zweite Grifffläche auf, welche beispielsweise ebenfalls als Mulde oder angeraute Grifffläche ausgebildet ist. Hierdurch kann das Griffelement zwischen Daumen und Zeigefinger vom Benutzer gehalten werden und somit eine Bewegung auf das Bewegungselement übertragen werden.The movement element preferably has a cap or is designed as a cap, with the cap being able to be gripped by a user. As an alternative or in addition to this, the movement element has a gripping element for the user to grip the movement element, with the gripping element having a first gripping surface designed, for example, as a depression and/or roughened gripping surface, and an opposite second gripping surface, which is also designed, for example, as a depression or roughened gripping surface . As a result, the grip element can be held between the thumb and forefinger by the user and a movement can thus be transmitted to the movement element.

Vorzugsweise weist die Basis eine Basisplatine auf. Insbesondere weist die Basisplatine eine Öffnung oder Ausnehmung auf, in der das Bewegungselement angeordnet ist. Hierdurch umgibt die Basisplatine das Bewegungselement und eine Ausrichtung der Lichtquellen auf die jeweiligen Lichtsensoren ist auf einfache Weise möglich.The base preferably has a base circuit board. In particular, the base board has an opening or recess in which the movement element is arranged. As a result, the base board surrounds the moving element and an off direction of the light sources to the respective light sensors is possible in a simple manner.

Vorzugsweise sind die PSD und/oder die Lichtquellen mittels Aufstecken auf den Rand der Basisplatine mit der Basisplatine verbunden sind. Insbesondere erfolgt ein Aufstecken der PSD auf den inneren Rand der Ausnehmung/Öffnung der Basisplatine. Eine senkrechte bzw. horizontale Ausrichtung der Sensorfläche der PSD wird somit auf einfache Weise mittels Aufstecken auf den Rand der Basisplatine erreicht. Hierbei ist insbesondere mindestens ein Anschluss des jeweiligen PSD auf einer ersten Seite der Basisplatine, beispielsweise eine Oberseite, angeordnet, wohingegen mindestens ein Anschluss des PSD auf einer gegenüberliegenden Seite der Basisplatine, beispielsweise eine Unterseite, angeordnet ist und die Anschlüsse mit der Basisplatine verbunden sind. Hierdurch wird der Aufbau vereinfacht und insbesondere eine kompakte Anordnung der PSD auf der Basisplatine erreicht ohne das zusätzliche senkrechte bzw. horizontal angeordnete PSD-Platinen vorgesehen sein müssen, welche beispielsweise per Steckverbindung mit der Basisplatine verbunden werden müssen.Preferably, the PSD and/or the light sources are connected to the base board by plugging them onto the edge of the base board. In particular, the PSD is plugged onto the inner edge of the recess/opening in the base circuit board. A vertical or horizontal alignment of the sensor surface of the PSD is thus easily achieved by plugging it onto the edge of the base board. In particular, at least one connection of the respective PSD is arranged on a first side of the base board, for example a top side, whereas at least one connection of the PSD is arranged on an opposite side of the base board, for example a bottom side, and the connections are connected to the base board. This simplifies the construction and in particular achieves a compact arrangement of the PSD on the base board without the need for additional vertical or horizontally arranged PSD boards which have to be connected to the base board by a plug connection, for example.

Vorzugsweise weist mindestens ein bevorzugt mehrere und besonders bevorzugt alle PSD Anschlüsse auf, wobei jeweils zwei gegenüberliegende Anschlüsse einen Mindestabstand aufweisen, der der Dicke der Basisplatine entspricht. Hierdurch ist ein besonders einfaches Aufstecken der PSD auf die Basisplatine möglich. Hierzu können insbesondere die gegenüberliegenden Anschlüsse zumindest teilweise nach Innen gebogen sein, sodass der Mindestabstand zwischen den beiden Anschlüssen der Dicke der Basisplatine entspricht. Somit kann auf einfacher Weise der Mindestabstand auf die Dicke der Basisplatine angepasst werden durch entsprechendes nach Innen biegen der Anschlüsse.Preferably, at least one, preferably several, and particularly preferably all PSD connections have it, with two opposing connections having a minimum spacing that corresponds to the thickness of the base board. This allows the PSD to be plugged onto the motherboard in a particularly simple manner. For this purpose, in particular the opposite connections can be bent inwards at least partially, so that the minimum distance between the two connections corresponds to the thickness of the base board. In this way, the minimum distance can easily be adapted to the thickness of the base board by bending the connections appropriately inwards.

Vorzugsweise weist mindestens ein, bevorzugt mehrere, besonders bevorzugt alle PSD-Anschlüsse auf, wobei mindestens zwei Anschlüsse auf einer Seite des PSD einen Abstand aufweisen, der der Dicke der Basisplatine entspricht. Hierdurch ist es auf einfacher Weise möglich die PSD auf den Rand der Basisplatine aufzustecken wobei die Basisplatine zwischen zwei Anschlüssen auf derselben Seite des PSD eingefügt wird.It preferably has at least one, preferably several, particularly preferably all PSD connections, with at least two connections on one side of the PSD being at a distance that corresponds to the thickness of the base board. This makes it easy to plug the PSD onto the edge of the base board, with the base board being inserted between two connections on the same side of the PSD.

Vorzugsweise sind die Sensorelemente mit einer gemeinsamen Auswertevorrichtung verbunden, wobei die Sensorsignale der jeweiligen Lichtsensoren durch die Auswertevorrichtung ausgewertet werden, um eine Relativbewegung des Bewegungselements relativ zu der Basis zu erfassen.The sensor elements are preferably connected to a common evaluation device, with the sensor signals from the respective light sensors being evaluated by the evaluation device in order to detect a relative movement of the moving element relative to the base.

Vorzugsweise ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, insbesondere mittels eines nichtlinearen Modells, zur Korrektur der Sensorsignale der jeweiligen Sensorelemente. Nachdem das eintreffende Licht nicht beliebig schmal auf dem PSD trifft, wird aufgrund der physikalischen Eigenschaften des PSDs, letztendlich der Lichtschwerpunkt als Position bestimmt. Bei der Bestimmung der Position des Lichtschwerpunkts des einfallenden Lichts zählt nur der Anteil, der auf den lichtempfindlichen Teil des PSDs trifft. Das auf dem lichtempfindlichen Bereich eintreffende Licht wird dabei in Bezug auf Helligkeit und dem Abstand zum Lichtschwerpunkt gewichtet. Somit befindet sich links und rechts vom Lichtschwerpunkt die gleiche Helligkeit, gewichtet mit dem Abstand zum Lichtschwerpunkt. Verlässt aber ein Teil des Lichtkegels den PSD, führt dies zu einer nichtlinearen Verzerrung der Position. Der Lichtschwerpunkt auf dem lichtempfindlichen Bereich verlässt dabei das Zentrum des Lichtkegels, um das Licht außerhalb des lichtempfindlichen Bereichs zu kompensieren. Das Zentrum des Lichtkegels ist in einem solchen Fall weiter von der Mitte des PSDs entfernt, als dies der Messwert darstellt. Aufgrund der Messung der translatorischen Verschiebung und rotatorischen Verdrehung des Bewegungsteils können die ermittelten Messwerte aller sechs Sensor-Elemente für die Bestimmung des nichtlinearen Anteils herangezogen werden. Damit kann während der Umrechnung der Messwerte in die Verschiebung und Verdrehung der fehlerhafte Anteil schrittweise wieder reduziert werden. Die Verbesserung der Ergebnisse X,Y,Z (Verschiebung) und A,B,C (Verdrehung) erfolgt schrittweise. Ausgehend von den ursprünglichen insbesondere 6 PSD Messwerten wird anhand eines linearen Modells die erste Annäherung für die zu messenden Verschiebung und Verdrehung errechnet. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wird anhand eines nichtlinearen Modells, die dabei zu erwartenden nichtlinearen Verzerrungen in den Messwerten der PSDs ermittelt. Daraus werden Korrekturwerte berechnet, die die ursprünglichen PSD Messwerte verändern. Mit diesen Veränderungen werden wieder mit dem linearen Modell neue Verschiebungen und Verdrehungen errechnet. Diese Schritte können so oft wiederholt werden, bis das Ergebnis in genügender Genauigkeit vorliegt. Insbesondere handelt es sich bei dem nichtlinearen Modell um einen Bayes Filter oder Kalman Filter zur Verbesserung der Genauigkeit der ermittelten Messwerte.The evaluation device is preferably designed, in particular by means of a non-linear model, to correct the sensor signals of the respective sensor elements. After the incoming light does not hit the PSD arbitrarily narrowly, the light center is ultimately determined as the position due to the physical properties of the PSD. When determining the position of the center of gravity of the incident light, only the portion that hits the light-sensitive part of the PSD counts. The light that hits the light-sensitive area is weighted in terms of brightness and the distance to the center of the light. This means that there is the same brightness to the left and right of the light center, weighted with the distance to the light center. However, if part of the light cone leaves the PSD, this leads to a non-linear distortion of the position. The focus of the light on the light-sensitive area leaves the center of the light cone in order to compensate for the light outside the light-sensitive area. In such a case, the center of the light cone is further away from the center of the PSD than the measured value shows. Due to the measurement of the translational displacement and rotational torsion of the moving part, the determined measured values of all six sensor elements can be used to determine the non-linear component. In this way, the erroneous portion can be gradually reduced again during the conversion of the measured values into displacement and torsion. The X,Y,Z (displacement) and A,B,C (twist) results are improved gradually. Based on the original 6 PSD measured values, the first approximation for the displacement and torsion to be measured is calculated using a linear model. With the help of these results, a non-linear model is used to determine the expected non-linear distortions in the measured values of the PSDs. From this, correction values are calculated that change the original PSD measured values. With these changes, new displacements and rotations are calculated again with the linear model. These steps can be repeated until the result is sufficiently accurate. In particular, the non-linear model is a Bayes filter or Kalman filter to improve the accuracy of the measured values determined.

Vorzugsweise ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, die Sensorelemente nacheinander auszulesen.The evaluation device is preferably designed to read out the sensor elements one after the other.

Vorzugsweise ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, die Helligkeit des LEDs anzupassen, sodass die jeweiligen PSD immer innerhalb ihres Arbeitsbereiches betrieben werden. Hierbei ist der Gesamtstrom, welcher durch die PSD fließt proportional zu der Gesamthelligkeit, welche von der LED erzeugt wird. Sinkt dieser unter eine vorgegebenen Grenzwert, kann die Auswertevorrichtung den Strom der jeweiligen LED erhöhen zur Erhöhung der Helligkeit der LED, um eine ausreichende Helligkeit auf den PSD zu erzeugen zur Detektion der Position der Beleuchtung. Ebenfalls kann ein Übersteuern der PSD verhindert werden bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts des Gesamtstroms, sodass der Strom der LED reduziert werden kann, um ein Übersteuern gerade zu verhindern.The evaluation device is preferably designed to adjust the brightness of the LEDs so that the respective PSDs are always operated within their working range. Here, the total current flowing through the PSD is proportional tional to the overall brightness generated by the LED. If this drops below a predetermined limit value, the evaluation device can increase the current of the respective LED to increase the brightness of the LED in order to generate sufficient brightness on the PSD to detect the position of the lighting. Overdriving of the PSD can also be prevented when the total current exceeds a predetermined limit value, so that the current of the LED can be reduced in order to prevent overdriving.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein 3D Eingabegerät mit einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben.Furthermore, the present invention relates to a 3D input device with a device as described above.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Terminal bzw. Endgerät mit einem solchen 3D Eingabegerät. Dabei kann es sich bei dem Terminal beispielsweise um ein Smartphone, Laptop, Tablet oder dergleichen handeln. Furthermore, the present invention relates to a terminal or end device with such a 3D input device. The terminal can be a smartphone, laptop, tablet or the like, for example.

Vorzugsweise ist dabei das 3D Eingabegerät ausgebildet, sodass ein Griffelement vorgesehen ist, welches zwischen Daumen und Zeigefinger gehalten werden kann, wobei eine erste Grifffläche des Griffelements an der Oberseite des Terminals und eine zweite Grifffläche des Griffelements an einer Unterseite des Terminals angeordnet ist.The 3D input device is preferably designed so that a gripping element is provided which can be held between the thumb and index finger, with a first gripping surface of the gripping element being arranged on the upper side of the terminal and a second gripping surface of the gripping element being arranged on an underside of the terminal.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments with reference to the attached drawings.

Es zeigen:

1 ein schematischer Aufbau der Vorrichtung zur Erfassung einer Relativbewegung gemäß der vorliegenden Erfindung,
2A-2D Detailansichten der Lichtsensoren,
3 ein Terminal mit einem 3D Eingabegerät gemäß der vorliegenden Erfindung und
4 eine schematische Darstellung eine Skulpturmodells gemäß der vorliegenden Erfindung.

Show it:

1 a schematic structure of the device for detecting a relative movement according to the present invention,
2A-2D detailed views of the light sensors,
3 a terminal with a 3D input device according to the present invention and
4 a schematic representation of a sculpture model according to the present invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Erfassung einer Relativbewegung weist eine Basis 20 auf, welche insbesondere durch eine Basisplatine 100 gebildet ist. Weiterhin weist die Vorrichtung 10 ein zu der Basis bewegbares Bewegungselement 30 auf. Dabei ist das Bewegungselement 30 insbesondere durch eine Bewegungselementplatine 102 gebildet. Dabei ist die Vorrichtung ausgebildet zur Erfassung einer Bewegung des Bewegungselement 30 relativ zur Basis 20. Hierzu ist das Bewegungselement 30 in einer Ausnehmung 18 der Basis 20 angeordnet. In dem Beispiel der 1 ist die Ausnehmung 18 rund ausgebildet, kann jedoch auch andere Formen aufweisen, die geeignet sind das Bewegungselement 30 aufzunehmen. Mit der Basisplatine 100 sind Lichtsensoren 12 verbunden, wobei die Lichtsensoren 12 ausgerichtet sind, um Licht von Lichtquellen 14, die mit dem Bewegungselement 30 verbunden sind, zu erfassen. Die Lichtquellen sind insbesondere als LED ausgebildet. Hierbei bildet jeweils ein Lichtsensor 12 und eine entsprechende Lichtquelle 14 des Bewegungselement 30 ein Sensorelement 16. Die Lichtquellen 14 sind dabei jeweils so auf den entsprechenden Lichtsensor ausgerichtet, dass durch die Lichtquelle 14 eine nur teilweise Beleuchtung der Sensorfläche des jeweiligen Lichtsensors 12 erfolgt. Erfolgt eine Bewegung des Bewegungselements 30 relativ zu der Basis 20, ändert sich die Beleuchtung der jeweiligen Lichtsensoren 12. Diese Änderung der Beleuchtung wird durch die Lichtsensoren 12 erfasst und sodann in ein Positions- bzw. Bewegungssignal umgewandelt zur Erfassung der Relativbewegung des Bewegungselements 30 relativ zur Basis 20. Hierzu sind die Lichtsensoren 12 als PSD ausgebildet. Bei einem PSD handelt es sich üblicherweise um ein Halbleiterbauteil, welches die Position eines Lichtpunktes auf der Sensorfläche erfassen kann. Der Lichtpunkt ist beim eindimensionalen PSD an der Stelle, wo sich die Lichtebene und die lichtempfindliche Sensorfläche des PSDs kreuzen. Diese Sensoren sind bekannt (https://de.wikipedia.org/wiki/Position_Sensitive_Device) und werden in unterschiedlichen Anwendungen bereits eingesetzt. Die jeweiligen PSD weisen Anschlüsse auf, über die ein Strom zugeführt wird (Input I) und über zwei Anschlüsse (Output I1 und 72) wieder abgeführt. Es gilt: I=I1+I2. Mit dem Verhältnis $τ = \frac{I 1 - I 2}{1 + I 2}$

erhält man einen Wert, der linear mit der Einfallposition des LED-Lichts im Zusammenhang steht. Dies gilt insbesondere für eindimensionale PSD.The device 10 according to the invention for detecting a relative movement has a base 20 which is formed in particular by a base circuit board 100 . Furthermore, the device 10 has a moving element 30 that can be moved to the base. In this case, the movement element 30 is formed in particular by a movement element circuit board 102 . The device is designed to detect a movement of the moving element 30 relative to the base 20 . For this purpose, the moving element 30 is arranged in a recess 18 of the base 20 . In the example of 1 If the recess 18 is round, it can, however, also have other shapes that are suitable for receiving the moving element 30 . Light sensors 12 are connected to the base board 100, the light sensors 12 being oriented to detect light from light sources 14 connected to the moving element 30. FIG. The light sources are designed in particular as LEDs. In this case, a light sensor 12 and a corresponding light source 14 of the movement element 30 form a sensor element 16. The light sources 14 are each aligned with the corresponding light sensor in such a way that the light source 14 only partially illuminates the sensor surface of the respective light sensor 12. If the moving element 30 moves relative to the base 20, the illumination of the respective light sensors 12 changes. This change in illumination is detected by the light sensors 12 and then converted into a position or movement signal for detecting the relative movement of the moving element 30 relative to the Base 20. For this purpose, the light sensors 12 are in the form of PSDs. A PSD is usually a semiconductor component that can detect the position of a point of light on the sensor surface. In the one-dimensional PSD, the point of light is at the point where the light plane and the light-sensitive sensor surface of the PSD intersect. These sensors are known (https://de.wikipedia.org/wiki/Position_Sensitive_Device) and are already being used in various applications. The respective PSD have connections via which a current is supplied (input I) and discharged again via two connections (output I1 and 72). The following applies: I=I1+I2. with the relationship

τ = \frac{I 1 - I 2}{1 + I 2}

gives a value that is linearly related to the incident position of the LED light. This is especially true for one-dimensional PSD.

Im Beispiel der 1 sind alle Lichtsensoren 12 mit der Basisplatine 100 der Basis 20 verbunden, wohingegen alle Lichtquellen 14 mit der Bewegungselementplatine 102 des Bewegungselements 30 verbunden sind. Selbstverständlich können einzelne, mehrere oder alle Lichtquellen 14 mit der Basisplatine 100 der Basis 20 verbunden wohingegen die jeweiligen Lichtsensoren 12 der entsprechenden Sensorelemente 16 entsprechend an der Bewegungselementplatine 102 des Bewegungselements 30 angeordnet sind, sodass weiterhin stets ein Lichtsensor 12 gegenüberliegend einer Lichtquelle 14 angeordnet ist. In the example of 1 all light sensors 12 are connected to the base circuit board 100 of the base 20, whereas all light sources 14 are connected to the moving element circuit board 102 of the moving element 30. Of course, individual, several or all light sources 14 can be connected to the base circuit board 100 of the base 20, whereas the respective light sensors 12 of the corresponding sensor elements 16 are arranged accordingly on the movement element circuit board 102 of the movement element 30, so that a light sensor 12 is always arranged opposite a light source 14.

Insbesondere sind die Sensorelemente 16 entlang des Umfangs der Ausnehmung 18 im gleichen Winkelabstand verteilt. Insbesondere bei Vorsehen von sechs Sensorelementen 16 ergibt sich hieraus ein Winkelabstand zwischen den einzelnen Sensorelementen 16 von 60°. Hierdurch wird sichergestellt, dass stets ausreichende Informationen über die Relativbewegung bzw. die Position des Bewegungselements 30 relativ zur Basis 20 gegeben sind.In particular, the sensor elements 16 are distributed along the circumference of the recess 18 at the same angular distance. In particular when six sensor elements 16 are provided, this results in an angular spacing between the individual elements Sensor elements 16 of 60°. This ensures that there is always sufficient information about the relative movement or the position of the movement element 30 relative to the base 20 .

Insbesondere sind die PSD als eindimensionale PSD ausgebildet, sodass durch die jeweiligen Lichtsensoren 12 die Veränderung der Beleuchtung durch die jeweilige Lichtquelle 14 entlang einer Raumdimension erfasst wird. Hierdurch wird der Aufbau vereinfacht und insbesondere die Auswertung der Veränderung der Beleuchtung der einzelnen Lichtsensoren vereinfacht.In particular, the PSD are designed as one-dimensional PSD, so that the change in the illumination by the respective light source 14 along a spatial dimension is detected by the respective light sensors 12 . This simplifies the structure and in particular simplifies the evaluation of the change in the illumination of the individual light sensors.

In dem Beispiel der 1 sind dabei insbesondere horizontale Lichtsensoren 12a angeordnet zur Erfassung einer Veränderung der Beleuchtung durch die jeweilige Lichtquelle 14 in der horizontalen Richtung bzw. in der Blattebene. Weiterhin sind senkrechte Sensorelemente 12b vorgesehen, welche eine Bewegung in der vertikalen bzw. senkrecht zu der Blattebene erfassen. Dabei sind die horizontalen Lichtsensoren 12a bzw. die horizontalen Sensorelemente abwechselnd angeordnet zu der senkrechten Lichtsensoren 12b bzw. den vertikalen/senkrechten Sensorelementen. Die einzelnen horizontalen Sensorelemente weisen somit einen Winkelabstand von 120° auf. Versetzt hierzu sind die senkrechten Sensorelemente angeordnet ebenfalls mit einem Winkelabstand von 120° zueinander. Durch diese Konfiguration ist eine Erfassung aller sechs Raumrichtungen möglich.In the example of 1 In particular, horizontal light sensors 12a are arranged to detect a change in the illumination by the respective light source 14 in the horizontal direction or in the plane of the page. Furthermore, vertical sensor elements 12b are provided, which detect a movement in the vertical or perpendicular to the plane of the page. The horizontal light sensors 12a or the horizontal sensor elements are arranged alternately with the vertical light sensors 12b or the vertical/perpendicular sensor elements. The individual horizontal sensor elements thus have an angular spacing of 120°. The vertical sensor elements are offset from this, also arranged at an angular distance of 120° from one another. This configuration enables detection of all six spatial directions.

Vorzugsweise ist das Bewegungselement 30 mittels Federn (nicht dargestellt) mit der Basis 20 verbunden. Insbesondere wenn alle Lichtquellen 14 mit dem Bewegungselement 30 verbunden sind, können die Federn elektrisch leitend ausgebildet sein und für die Stromversorgung der Lichtquellen 14 herangezogen werden. Eine zusätzliche Versorgungsleitung zu dem Bewegungselement 30 ist somit nicht erforderlich, wodurch sich der Aufbau weiter vereinfacht und eine weitere Miniaturisierung ermöglicht wird.Preferably, the moving member 30 is connected to the base 20 by means of springs (not shown). In particular, when all light sources 14 are connected to the movement element 30, the springs can be designed to be electrically conductive and can be used for the power supply of the light sources 14. An additional supply line to the moving element 30 is therefore not required, which further simplifies the construction and enables further miniaturization.

Insbesondere ist aus der 1 ersichtlich, dass zwischen den jeweiligen Lichtquellen 14 und den jeweiligen Sensorelementen 12 kein weiteres optisches Element angeordnet ist. Insbesondere ist keine Blende oder Linse vorgesehen, welche die Lichtquellen 14 auf die Sensorflächen der jeweiligen Lichtsensoren 12 abbildet. Somit ergibt sich insbesondere kein Mindestabstand zwischen den Lichtquellen 14 und den jeweiligen Sensorelementen 12, wodurch der Abstand klein gewählt werden kann und somit eine ausreichende Miniaturisierung der Vorrichtung möglich ist. Weiterhin kann der Abstand zwischen den jeweiligen Lichtquellen 14 und den Lichtsensoren 12 klein gewählt werden, so dass stets nur eine teilweise Beleuchtung der Sensorflächen der jeweiligen Lichtsensoren 12 durch die Lichtquellen 14 erfolgt.In particular, from the 1 It can be seen that no further optical element is arranged between the respective light sources 14 and the respective sensor elements 12 . In particular, no diaphragm or lens is provided which images the light sources 14 onto the sensor surfaces of the respective light sensors 12 . Thus, in particular, there is no minimum distance between the light sources 14 and the respective sensor elements 12, as a result of which the distance can be selected to be small and thus a sufficient miniaturization of the device is possible. Furthermore, the distance between the respective light sources 14 and the light sensors 12 can be selected to be small, so that the sensor surfaces of the respective light sensors 12 are always only partially illuminated by the light sources 14 .

Zur Erfassung des Lichts der Lichtquellen 14 sind die Lichtsensoren 12 senkrecht zu der Basisplatine 100 der Basis 20 angeordnet. Diese Anordnung stellt jedoch Schwierigkeiten dar, welche im Stand der Technik durch senkrechte Steckplatinen gelöst werden, wobei die Sensorelemente jeweils auf einer separaten Steckplatine angeordnet sind, welche sodann in die Basisplatine 10 eingesteckt werden. Dieser Aufbau ist jedoch aufwendig und kann nicht beliebig miniaturisiert werden. Somit schlägt die vorliegende Erfindung vor die Anschlüsse der Lichtsensoren 12 unmittelbar mit der Basisplatine 100 zu verbinden. Die 2A und 2B zeigen dabei die Verbindung der Lichtsensoren 12A mit der Basisplatine 100 für den Fall der horizontalen Sensorelemente. Hierzu weist der Lichtsensor 12A Anschlüsse 102 auf. Diese Anschlüsse 102 weisen einen gebogenen Abschnitt 104 auf. Dabei entspricht der Mindestabstand der gebogenen Abschnitte 104 der Anschlüsse 102 gerade der Dicke der Basisplatine 100. Somit können die Sensorelemente 12 auf einfache Weise auf den Rand der Basisplatine 100 aufgesteckt werden, wobei, aufgrund des gewählten Mindestabstands der gebogenen Abschnitte 104 der Anschlüsse 102, die Anschlüsse 102 der Lichtsensoren 12 in unmittelbaren Kontakt mit der Oberseite 100A und der Unterseite 100B der Basisplatine gelangen. Somit ist auf einfache Weise eine Verbindung der Lichtsensoren 12A mit der Basisplatine 100 möglich, wobei die Ausrichtung der Sensorelemente senkrecht zu der Oberseite 100A bzw. Unterseite 100B der Basisplatine 100 erfolgen kann. Hierdurch können die Sensorelemente 12 auf einfache Weise ausgerichtet werden auf die jeweiligen Lichtquellen 14 des Bewegungselementes 30.The light sensors 12 are arranged perpendicularly to the base circuit board 100 of the base 20 in order to detect the light from the light sources 14 . However, this arrangement presents difficulties which are solved in the prior art by vertical plug-in circuit boards, with the sensor elements each being arranged on a separate plug-in circuit board, which are then plugged into the base circuit board 10 . However, this structure is complex and cannot be miniaturized at will. The present invention thus proposes connecting the connections of the light sensors 12 directly to the base circuit board 100 . The 2A and 2 B 12 show the connection of the light sensors 12A to the base circuit board 100 for the case of the horizontal sensor elements. The light sensor 12A has connections 102 for this purpose. These terminals 102 have a bent portion 104 . The minimum distance between the bent sections 104 of the connections 102 corresponds to the thickness of the base board 100. Thus, the sensor elements 12 can easily be plugged onto the edge of the base board 100, whereby, due to the selected minimum distance between the bent sections 104 of the connections 102, the Connections 102 of the light sensors 12 come into direct contact with the top 100A and the bottom 100B of the base board. A connection of the light sensors 12A to the base board 100 is thus possible in a simple manner, it being possible for the sensor elements to be aligned perpendicularly to the top side 100A or underside 100B of the base board 100 . As a result, the sensor elements 12 can be easily aligned with the respective light sources 14 of the moving element 30.

Die 2C und 2D zeigen die erfindungsgemäße Verbindung der Lichtsensoren 12 mit der Basisplatine 100 für den Fall der vertikalen bzw. senkrechten Lichtsensoren 12B. Hierbei weisen die Lichtsensoren 12B Anschlüsse 102 auf wobei die Anschlüsse 102 auf denselben Seiten des jeweiligen Lichtsensors 12B einen Abstand aufweisen, der der Dicke der Basisplatine 100 gerade entspricht. Somit können auch die vertikalen bzw. senkrechten Sensorelemente 12B auf einfacher Weise auf den Rand der Basisplatine 100 aufgesteckt werden und mit dieser verbunden werden. Hierzu ist ein Anschluss 102 auf der Oberseite 100A der Basisplatine 100 angeordnet und ein zweiter Anschluss 102 auf der Unterseite 100B der Basisplatine 100. Eine Ausrichtung der senkrechten Lichtsensoren 12B auf die jeweiligen Lichtquellen 14 des Bewegungselements 30 ist hierdurch auf einfacher Weise möglich. Wie aus der 2C ersichtlich, können die Anschlüsse 102 der senkrechten Lichtsensoren 12B wiederum einen gebogenen Abschnitt 104 entsprechend der Ausführung der 2A, 2B aufweisen. Hierdurch wird die Kontaktfläche zwischen den Anschlüssen 102 und der Basisplatine 100 vergrößert. Gleichzeitig ist es nicht erforderlich unterschiedliche Ausführungsformen der Lichtsensoren 12 vorzusehen, wodurch eine einheitliche Verwendung gewährleistet wird.The 2C and 2D show the inventive connection of the light sensors 12 to the base board 100 for the case of the vertical or vertical light sensors 12B. In this case, the light sensors 12B have connections 102 , the connections 102 having a spacing on the same sides of the respective light sensor 12B which just corresponds to the thickness of the base circuit board 100 . Thus, the vertical or perpendicular sensor elements 12B can also be plugged onto the edge of the base board 100 and connected to it in a simple manner. For this purpose, a connection 102 is arranged on the upper side 100A of the base board 100 and a second connection 102 on the underside 100B of the base board 100. An alignment of the vertical light sensors 12B to the respective light sources 14 of the movement element 30 is hereby easily possible. How from the 2C As can be seen, the terminals 102 of the perpendicular light sensors 12B can again have a curved section 104 according to the embodiment tion of 2A , 2 B exhibit. This increases the contact area between the connections 102 and the base board 100 . At the same time, it is not necessary to provide different embodiments of the light sensors 12, which ensures uniform use.

3 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung in einem Terminal 30. Bei dem Terminal 30 handelt es sich beispielsweise um ein Smartphone, ein Tablet, ein Laptop oder ein anderes elektronisches Gerät, welches eine Benutzereingabe erfordert. Hierbei weist insbesondere die Vorrichtung 10 ein erstes Griffelement 32, welches an der Oberseite des Terminals 30 angeordnet ist und ein zweites Griffelement 34, welches an der Unterseite des Terminals 30 angeordnet ist. Der Benutzer 45 kann somit das erste Griffelement und das zweite Griffelement zwischen Daumen 36' und Zeigefinger 36" greifen und eine Bewegung des Bewegungselements 30 durchführen. Insbesondere können dabei das erste Griffelement 32 und das zweite Griffelement 34 als Griffmulden oder dergleichen ausgebildet sein, um ein einfaches Greifen des Bewegungselementes 30 zu ermöglichen. Eine Bewegung des Benutzers 35 des Bewegungselementes 30 der Vorrichtung 10 führt somit unmittelbar zu einer Benutzereingabe an dem Terminal 31. 3 shows an application example of the device in a terminal 30. The terminal 30 is, for example, a smartphone, a tablet, a laptop or another electronic device that requires user input. In this case, the device 10 in particular has a first gripping element 32 which is arranged on the upper side of the terminal 30 and a second gripping element 34 which is arranged on the underside of the terminal 30 . The user 45 can thus grip the first gripping element and the second gripping element between thumb 36' and forefinger 36" and move the movement element 30. In particular, the first gripping element 32 and the second gripping element 34 can be designed as gripping recesses or the like in order to to enable easy gripping of the movement element 30. A movement by the user 35 of the movement element 30 of the device 10 thus leads directly to a user input at the terminal 31.

4 zeigt schematisch ein Messmodell zur Ermittlung der Relativbewegung bzw. Position zwischen dem Bewegungselement 30 und der Basis 20. Nachdem das eintreffende Licht nicht beliebig schmal auf dem PSD trifft, wird aufgrund der physikalischen Eigenschaften des PSDs, letztendlich der Lichtschwerpunkt als Position bestimmt. Bei der Bestimmung der Position des Lichtschwerpunkts des einfallenden Lichts zählt nur der Anteil, der auf den lichtempfindlichen Teil des PSDs trifft. Das auf dem lichtempfindlichen Bereich eintreffende Licht wird dabei in Bezug auf Helligkeit und dem Abstand zum Lichtschwerpunkt gewichtet. Somit befindet sich links und rechts vom Lichtschwerpunkt die gleiche Helligkeit, gewichtet mit dem Abstand zum Lichtschwerpunkt. Verlässt aber ein Teil des Lichtkegels den PSD, führt dies zu einer nichtlinearen Verzerrung der Position. Der Lichtschwerpunkt auf dem lichtempfindlichen Bereich verlässt dabei das Zentrum des Lichtkegels, um das Licht außerhalb des lichtempfindlichen Bereichs zu kompensieren. Das Zentrum des Lichtkegels ist in einem solchen Fall weiter von der Mitte des PSDs entfernt, als dies der Messwert darstellt. Somit werden zur Korrektur zunächst Messwerte 40 der jeweiligen PSD erfasst und anhand eines linearen Models 42 ausgewertet, um so eine Verschiebung entlang der drei Raumrichtungen oder eine Verdrehung um die drei Raumachsen zu ermitteln. Die Verbesserung der Ergebnisse X,Y,Z (Verschiebung) und A,B,C (Verdrehung) erfolgt schrittweise. Ausgehend von den ursprünglichen 6 PSD Messwerten wird anhand eines linearen Modells die erste Annäherung für die zu messenden Verschiebung und Verdrehung errechnet. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wird anhand eines nichtlinearen Modells, die dabei zu erwartenden nichtlinearen Verzerrungen in den Messwerten der PSDs ermittelt. Daraus werden Korrekturwerte berechnet, die die ursprünglichen PSD Messwerte verändern. Mit diesen Veränderungen werden wieder mit dem linearen Modell neue Verschiebungen und Verdrehungen errechnet. Diese Schritte können so oft wiederholt werden, bis das Ergebnis in genügender Genauigkeit vorliegt. 4 shows schematically a measurement model for determining the relative movement or position between the moving element 30 and the base 20. After the incoming light does not hit the PSD arbitrarily narrowly, the light center is ultimately determined as the position due to the physical properties of the PSD. When determining the position of the center of gravity of the incident light, only the portion that hits the light-sensitive part of the PSD counts. The light that hits the light-sensitive area is weighted in terms of brightness and the distance to the center of the light. This means that there is the same brightness to the left and right of the light center, weighted with the distance to the light center. However, if part of the light cone leaves the PSD, this leads to a non-linear distortion of the position. The focus of the light on the light-sensitive area leaves the center of the light cone in order to compensate for the light outside the light-sensitive area. In such a case, the center of the light cone is further away from the center of the PSD than the measured value shows. Thus, for correction, measured values 40 of the respective PSD are first recorded and evaluated using a linear model 42 in order to determine a displacement along the three spatial directions or a rotation about the three spatial axes. The X,Y,Z (displacement) and A,B,C (twist) results are improved gradually. Based on the original 6 PSD measured values, the first approximation for the displacement and torsion to be measured is calculated using a linear model. With the help of these results, a non-linear model is used to determine the expected non-linear distortions in the measured values of the PSDs. From this, correction values are calculated that change the original PSD measured values. With these changes, new displacements and rotations are calculated again with the linear model. These steps can be repeated until the result is sufficiently accurate.

Somit ist eine Vorrichtung geschaffen, welche einfach miniaturisiert werden kann, insbesondere auf Grund der geringen Anzahl an erforderlichen Komponenten. Insbesondere sind außer einem Lichtsensor 12 und einer entsprechenden Lichtquelle 14 keine weiteren optischen Komponenten erforderlich. Insbesondere ist kein Mindestabstand zwischen den jeweiligen Lichtquellen und den Lichtsensoren 12 erforderlich, sodass eine erhebliche Miniaturisierung erfolgen kann. Gleichzeitig ist eine genaue Erfassung der Relativbewegung und Position in alle sechs Raumrichtungen möglich.A device is thus created which can easily be miniaturized, in particular due to the small number of components required. In particular, apart from a light sensor 12 and a corresponding light source 14, no further optical components are required. In particular, no minimum distance is required between the respective light sources and the light sensors 12, so that considerable miniaturization can take place. At the same time, the relative movement and position can be precisely recorded in all six spatial directions.

Claims

Device (10) for detecting a relative movement, in particular in 3 dimensions a base (20), a moving element (30) movable relative to the base (20) and a plurality of sensor elements (16), each sensor element (16) having a light source (14) and a light sensor (12), the light sensor (12) being controlled by the light source (14) is partially illuminated, wherein for each sensor element (16) the respective light source (14) is connected to the base (20) or the moving element (30) and the corresponding light sensor (12) is connected to the other of the base (20) and the moving element (30). , wherein the light sensors (12) are PSD, wherein no aperture is arranged between the light source (14) and the PSD.

Device (10) after claim 1 , characterized in that the PSDs are linear PSDs which detect movements along an axis.

Device (10) after claim 1 or 2 , characterized in that 6 sensor elements (16) are provided for detecting the movement of the moving element in all spatial directions.

Device (10) after claim 3 , characterized in that 3 vertical sensor elements (16) are arranged along a first common axis and 3 horizontal sensor elements (16) are arranged along a second common axis, the first common axis and the second common axis being perpendicular to one another.

Device (10) after claim 4 , characterized in that the vertical sensor elements (16) and the horizontal sensor elements (16) are arranged alternately.

Device (10) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the sensor elements (16) are arranged at the same angular distance from one another, the angular distance being in particular 60°.

Device (10) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that all light sources (14) are arranged on the moving element (30).

Device (10) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the base (20) and the moving element (30) are connected to each other by means of springs.

Device (10) after claim 8 , characterized in that the springs are electrically conductive and are electrically connected to the light sources (14) and/or light sensors (12) of the sensor elements (16) arranged on the moving element (30).

Device (10) according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the moving element (30) has a cap or a gripping element (32, 34) for gripping the moving element (30) by a user, wherein in particular the gripping element (32, 34) has a first gripping surface and an opposite second gripping surface , so that the grip element (32, 34) can be held between the thumb and forefinger.

Device (10) according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the base (20) has a base board (100), the light sensors (12) and/or the light sources (14) being connected to the base board (100) by being plugged onto the edge of the base board (100).

Device (10) after claim 11 , characterized in that at least one light sensor (12) has connections (102), each pair of opposite connections (102) having a minimum spacing which corresponds to the thickness of the base board (100).

Device (10) after claim 12 , wherein the opposite lying connections (102) are at least partially bent inwards, so that the minimum distance between the two connections (102) corresponds to the thickness of the base board (100).

Device (10) according to one of Claims 11 until 13 , characterized in that at least one light sensor (12) has connections, with at least two connections (102) on one side of the light sensor (12) having a distance which corresponds to the thickness of the base board (100).

Device (10) according to one of Claims 1 until 14 , characterized in that the sensor elements (16) are connected to a common evaluation device.

Device (10) after claim 15 , characterized in that the evaluation device has an in particular non-linear model for correcting the sensor signals of the sensor elements.

Device (10) after claim 15 or 16 , characterized in that the evaluation device is designed to read out the sensor elements (16) one after the other.

Device (10) according to one of Claims 15 until 17 , characterized in that the light sources (14) are designed as LEDs and evaluation device is designed to adjust the brightness of the respective LED, so that the corresponding PSD is always operated in the work area.

3D input device with a device (10) according to one of Claims 1 until 18 .

terminal with a 3D input device claim 19 .