-
Gebiet der
Erfindung
-
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung
zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier
Objekte, wobei die Anordnung mindestens ein Paar einer Licht emittierenden
optoelektronischen Einrichtung und einer Licht detektierenden optoelektronischen
Einrichtung umfasst, und eine solche Anordnung aufweisende Vorrichtungen,
wie z.B. Kraft- und/oder Momentensensoren und Eingabevorrichtungen
für Rechnersysteme.
-
Als Anordnungen zum Erfassen von
Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte in Kraft-
und/oder Momentensensoren werden Anordnungen mit optoelektronischen
Messzellen eingesetrt. Der Grund ist der einfache Aufbau verbunden mit
einer hohen Präzision
und Zuverlässigkeit.
Bekannte Beispiele für
solche Anordnungen sind z.B. in
DE 27 27 704 C3 ,
DE 36 11 336 C2 ,
DE 32 40 241 A1 ,
US-3,921,445 und
US-3,628,394 offenbart,
die den technologischen Hintergrund der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
-
Anwendungsbeispiele für solche
Bewegungs- und Positionserfassungsanordnungen finden sich bei Kraft-
und/oder Momentensensoren zur Robotersteuerung und Messung von Kräften im
Automobilbereich. Weitere Anwendungen finden sich bei Ein- und Vorrichtungen
für elektrische
und/oder elektronische Vorrichtungen und insbesondere Rechnersysteme.
Hier dienen solche Bewegungs- und Positionserfassungsanordnungen
als Eingabe- und/oder Zeigevorrichtungen mit bis zu sechs Freiheitsgraden, wie
z.B. Joysticks, Computermäuse,
Trackballs, sogenannte 3D-Mäuse
und Eingabe- und/oder Zeigeeinrichtungen mit bis zu sechs Freiheitsgraden,
wie z.B. in Tastaturen integrierte Eingabe/Steuerelemente. Insgesamt
findet in Bereichen, wo solche Bewegungs- und Positionserfassungsanordnungen
verwendet werden, in zunehmendem Maße eine Miniaturisierung statt,
weshalb auch solche Bewe gungs- und Positionserfassungsanordnungen
kleinere Bauformen und geringere Massen aufweisen sollen.
-
In diesem Zusammenhang wird auf die
DE 36 11 337 A1 verwiesen,
die eine in einer Kunststoffkugel untergebrachte optoelektronische
Anordnung zur Erfassung von sechs Freiheitsgraden offenbart. Hierfür 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, dass diese bekannte
Anordnung eine relativ große
Bauform aufweist und zum Einbau dementsprechend relativ viel Raum
benötigt.
Ursache ist die relativ große
räumliche
Ausdehnung der Blenden und Detektoren, die ringförmig um die Lichtemissionseinrichtungen
angeordnet sind.
-
Ein weiteres Problem besteht bei
solchen Bewegungs- und Positionserfassungsanordnungen darin, dass
relativ viele einzelne Komponenten erforderlich sind. Die erschwert
nicht nur eine Miniaturisierung, sondern führt auch zu kosten- und zeitaufwändigen Herstellungsprozessen
und beeinflusst die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit solcher Anordnungen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, Lösungen
bereitstellen, die für
eine Miniaturisierung der Bauform und Masse optoelektronische Messzellen
verwendender Bewegungs- und Positionserfassungsanordnungen und Reduzierung
erforderlicher Komponenten zum Aufbau solcher Anordnungen sorgen.
-
Kurzbeschreibung der Erfindung
-
Zur Lösung der genannten Aufgabe
stellt die vorliegende Erfindung eine optoelektronische Anordnung
gemäß Anspruch
1 sowie diese verwendende Vorrichtungen bzw. Einrichtungen gemäß den weiteren
unabhängigen
Ansprüchen
bereit.
-
Die erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung,
um Bewegungen und/oder Positionen zweier Objekte relativ zu einander
zu erfassen, weist mindestens ein Paar einer Licht emittierenden
optoelektronischen Einrichtung und einer Licht detektierenden optoelektronischen
Einrichtung auf. Die Anzahl zu verwendender optoelektronischer Paare
hängt davon
ab, wie viele Freiheitsgrade mit einem dieser Paare erfasst werden
können
und wie viele Freiheitsgrade insgesamt erfasst werden sollen. Wenn
beispielsweise ein optoelektronisches Paar einen Freiheitsgrad überwachen
kann, ist es zur Erfassung von Relativbewegungen und/oder Relativpositionen
bezüglich
sechs Freiheitsgraden erforderlich, sechs solcher Paare zu verwenden.
-
Erfindungsgemäß wird für das bzw. die optoelektronischen
Paare eine wenigstens teilweise in sich elastisch verformbare Halterung
verwendet. An der Halterung ist (sind) das (die) optoelektronische(n) Paar(e)
so angebracht, dass bezüglich
jedes verwendeten optoelektronischen Paares eine elastische Verformung
der Halterung eine Relativbewegung der Licht emittierenden optoelektronischen
Einrichtung und der Licht detektierenden optoelektronischen Einrichtung
bewirkt.
-
Indem für die Licht emittierenden und
detektierenden optoelektronischen Einrichtungen eine Halterung verwendet
wird, die inhärent
für eine
relative Bewegbarkeit dieser Einrichtungen zueinander sorgt, kann
die Bauform und Masse der optoelektronischen Anordnung insgesamt
reduziert werden. Des weiteren sind für die Relativbewegungen der
Licht emittierenden und detektierenden optoelektronischen Einrichtungen
zueinander keine weiteren Komponenten erforderlich.
-
Vorzugsweise ist die Halterung einstöckig ausgeführt, wobei
ferner bevorzugt wird, dass sich die Halterung im nichtverformten
Zustand in einer Ebene erstreckt.
-
Des weiteren ist es vorgesehen, zur
Befestigung der Halterung eine Basis zu verwenden.
-
Bei Verwendung einer Basis kann diese
mit einem der zwei Objekte verbunden sein, für das relativ zu einem anderen
Objekt Relativbewegungen und/oder Relativpositionen erfasst werden
sollen. Alternativ ist es möglich,
die Halterung ohne Verwendung einer Basis unmittelbar an einem der
zu überwachenden
Objekte zu befestigen.
-
Bei Verwendung einer Basis ist es
möglich, die
Bereiche der Halterung, in denen eine der optoelektronischen Einrichtungen
angebracht ist, von der Basis beabstandet anzuordnen, während Bereiche der
Halterung, in denen die andere optoelektronische Einrichtung vorgesehen
ist, mit der Basis verbunden werden.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Halterung eine sich im nicht verformten Zustand in einer
Ebene erstreckende Spinne oder sternförmige Struktur. Hierbei wird
ferner bevorzugt, dass die Spinne oder sternförmige Struktur drei Arme aufweist,
die sich von einem Mittenbereich der Spinne bzw. der sternförmigen Struktur
erstrecken.
-
Es ist möglich, die Arme der Spinne
gleichmäßig zu beabstanden,
wodurch die Spinne bzw. sternförmige
Struktur eine gleichmäßige Charakteristik
erhält,
vorausgesetzt, dass die Spinne bzw. sternförmige Struktur im wesentlichen
gleichmäßig aufgebaut
ist. Durch eine unregelmäßige Beabstandung der
Spinnenarme ist es möglich,
die Spinne bzw. sternförmige
Struktur mit richtungsabhängigen
Charakteristika zu versehen.
-
Zwischen den Armen der Spinne, die
dem Minenbereich gegenüber
liegen und als "freie" Enden bezeichnet
werden, können
wenigstens teilweise elastisch verformbare Verbindungen vorgesehen sein.
-
Zur Anordnung der optoelektronischen
Einrichtungen ist es möglich,
jeweils eine Einrichtung eines optoelektronischen Paares zwischen
zwei Armen der Spinne anzuordnen. Vorzugsweise wird die Befestigung
der dort anzuordnenden optoelektronischen Einrichtungen an dem Mittenbereich
der Spinne vorgenommen.
-
Den zwischen den Armen der Spinne
bzw. an dem Minenbereich angeordneten optoelektronischen Einrichtungen
können
die entsprechenden anderen optoelektronischen Einrichtungen eines
Paars an den Verbindungen zwischen den Spinnenarmen befestigt sein.
-
Um die elastische Verformbarkeit
der Halterung in gewünschter
und/oder vorgegebener Weise einzustellen, können die Verbindungen zwischen
den freien Armen der Spinne wenigstens teilweise geschlitzt sein.
-
Um an den Verbindungen zwischen den
freien Enden der Spinnenarme optoelektronische Einrichtungen zu
befestigen, können
spezielle Bereiche bereitgestellt sein. Insbesondere ist es hierbei
vorgesehen, dass jede Verbindung zwischen zwei benachbarten Spinnenarmen
erste Bereiche, die jeweils unmittelbar in die Spinnenarme übergehen,
und einen zweiten Bereich aufweist, der zwischen den beiden ersten
Bereichen liegt.
-
Bei Verwendung einer Basis für die Halterung
kann diese so angeordnet sein, dass deren Mittenbereich von der
Basis beabstandet ist.
-
Alternativ ist es vorgesehen, den
Mittenbereich an der Basis zu befestigen, und, falls verwendet,
die zweiten Bereiche der Verbindungen von der Basis beabstandet
auszuführen.
-
Hinsichtlich der optoelektronischen
Paare ist es möglich,
dass die Licht emittierende optoelektronische Einrichtung eine Lichtemissionseinrichtung
und die Licht detektierende optoelektronische Einrichtung einen
positionsempfindlichen Detektor umfassen. Diese bilden zusammen
eine Messzelle.
-
Um zwei Messzellen zu bilden, kann
ein optoelektronisches Paar zwei Lichtemissionseinrichtungen aufweisen,
die einen gemeinsamen positionsempfindlichen Detektor bestrahlen.
-
Eine weitere Möglichkeit, zwei Messzellen bereitzustellen,
besteht in der Verwendung eines optoelektronischen Paares mit zwei
Lichtemissionseinrichtungen, denen jeweils ein positionsempfindlicher Detektor
zugeordnet ist.
-
Vorzugsweise werden Infrarotleuchtdioden für die Licht
emittierenden optoelektronischen Einrichtungen verwendet.
-
Bei der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
wird auf die beigefügten
Figuren Bezug genommen, von denen zeigen:
-
1 eine
bei der vorliegenden Erfindung verwendbare Messzellenanordnung zur Überwachung
eines Freiheitsgrades,
-
2 eine
bei der vorliegenden Erfindung verwendbare Messzellenanordnung zur Überwachung
von zwei Freiheitsgraden,
-
3 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer optoelektronischen Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen
und/oder Relativpositionen zweier Objekte, und
-
4 eine
weitere bevorzugte Ausführungsform
einer optoelektronischen Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen
und/oder Relativpositionen zweier Objekte.
-
Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
-
Zur Erfassung von Bewegungen und/oder Positionen
zweier Objekte relativ zueinander wird für jeden zu erfassenden Freiheitsgrad
eine Messzelle verwendet. Wie in 1 schematisch
dargestellt, umfasst eine Messzelle eine lichtemittierende optoelektronische
Einrichtung 2, die beispielsweise eine Infrarotleuchtdiode 4 umfasst.
Von der Infrarotleuchtdiode emittiertes Licht 6 breitet
sich bis zu einer Schlitzblende 8 aus, wo der Strahlengang
des Lichts 6 so beeinflusst wird, dass sich ein senkrecht
zur Zeichnungsebene erstreckender streifenförmiger Strahlengang 10 ergibt.
Der Schlitz 12 der Schlitzblende 8 erstreckt sich
im wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung, die mit der
in 1 dargestellten Messzelle überwacht
werden soll und dort durch den Doppelpfeil angedeutet ist. Der streifenförmige Lichtstrahl 10 trifft
auf eine lichtempfindliche Oberfläche 14 einer Licht
detektierenden optoelektronischen Einrichtung 16, für die insbesondere
ein positionsempfindlicher Detektor vorgesehen ist.
-
Um unterschiedliche Freiheitsgrade
mit einer in 1 dargestellten
Messzelle zu erfassen, werden entsprechend der Anzahl zu erfassender
Freiheitsgrade Messzellen verwendet und in Abhängigkeit des mit einer Messzelle
zu erfassenden Freiheitsgrades räumlich
orientiert angeordnet.
-
Alternativ ist es bei den im folgenden
beschriebenen Ausführungsformen
vorgesehen, eine in 2 dargestellte
Messzellenanordnung zu verwenden. Vergleichbar zu 1 weist die in 2 dargestellte Anordnung eine Licht emittierende
optoelektronische Einrichtung 20 auf. Die Licht emittierende optoelektronische
Einrichtung 20 umfasst aber zwei Licht erzeugende Einrichtungen 22, 24,
vorteilhafterweise jeweils in Form einer Infrarotleuchtdiode. Von der
Leuchtdiode 22 wird ein Lichtstrahl 26 emittiert, der
mittels einer Schlitzblende 28 in Licht mit einem senkrecht
zur Zeichnungsebene erstreckenden streifenförmigen Strahlengang 30 umgewandelt
wird. Wie bezugnehmend auf 1 erläutert, wird
mittels des Lichtstrahls 30 die durch den Doppelpfeil angedeutete
Bewegungsrichtung überwacht.
Dementsprechend erstreckt sich der Schlitz 32 der Schlitzblende 28 ebenfalls
senkrecht zur Zeichnungsebene von 2.
Der Lichtstrahl 30 fällt
auf eine lichtempfindliche Oberfläche 34 einer detektierenden
optoelektronischen Einrichtung 36, vorteilhafterweise in
Form eines positionsempfindlichen Detektors.
-
Mittels der Leuchtdiode 24 wird
ein Lichtstrahl 38 emittiert, der mittels einer in 2 nicht bezeichneten Schlitzblende
in einen Lichtstrahl 40 umgewandelt wird, der sich parallel
zur Zeichnungsebene von 2 streifenförmig erstreckt.
Der Lichtstrahl 40 dient zur Überwachung einer Bewegungsrichtung senkrecht
zur Zeichnungsebene von 2.
Der Lichtstrahl 40 fällt
auf die lichtempfindliche Oberfläche 34 des
positionsempfindlichen Detektors 36. Hierbei ist es möglich, dass
die lichtempfindliche Oberfläche 34 für die Lichtstrahlen 30 und 40 getrennte
Bereiche aufweist oder für
diese Lichtstrahlen einen gemeinsamen Oberflächenbereich verwendet.
-
Mit der in 2 dargestellten Anordnung werden zwei
Messzellen baueinheitlich integriert bereitgestellt, weshalb mittels
dieser Anordnung zwei Freiheitsgrade überwacht werden können. Dementsprechend
werden zur Überwachung
von sechs Freiheitsgraden drei der in 2 dargestellten
Anordnungen verwendet, wohingegen zur Überwachung von sechs Freiheitsgraden
sechs der in 1 dargestellten
Anordnungen erforderlich wären.
-
Bei der in 3 veranschaulichten Ausführungsform
der optoelektronischen Anordnung zum Erfassen von Relativbewegungen
und/oder Relativpositionen zweier Objekte werden drei der in 2 veranschaulichten Messzellenanordnungen
verwendet, weshalb in 3 auch
die in 2 verwendeten Bezugszeichen
zu finden sind.
-
Drei Licht emittierende optoelektronische Einrichtungen 20 sind
an einem Minenbereich 50 einer sternförmigen Struktur oder Spinne 52 angeordnet.
Zur Befestigung der Licht emittierenden optoelektronischen Einrichtungen 20 weist
der Mittenbereich 50 sich von diesem erstreckende Bereiche 54 auf.
Alternativ ist vorgesehen, die Licht emittierenden optoelektronischen
Einrichtungen 20 ohne Verwendung der Bereiche 54 in
dem Bereich der Spinne 52 zu befestigen, wo deren Arme 56 zusammentreffen.
-
Die Verwendung der Bereiche 54 hat
den Vorteil, dass im Bereich zwischen den Licht emittierenden optoelektronischen
Einrichtungen 20 ein Oberflächenbereich der Spinne 52 frei
bleibt, der zur Befestigung der Spinne 52 oder zur Krafteinleitung verwendet
werden kann.
-
Die sich von dem Minenbereich 50 nach
außen
erstreckenden Arme 56 der Spinne 52 sind gleichmäßig voneinander
beabstandet und gehen mit ihren dem Minenbereich 50 gegenüberliegenden
Enden 58 in Verbindungsbereiche 60 über. Vorteilhafterweise
ist die Spinne 52 und die diese umgebenden Verbindungsbereiche 60 baueinheitlich
integriert, d.h. bilden eine einstückige Struktur. In diesem Fall ist
die Bezeichnung der Enden 58 der Arme 56 als "freie" Enden nicht so zu
verstehen, dass diese mittels einer speziellen Verbindung an den
Verbindungsbereichen 60 angebracht sind.
-
Wie in 3 zu
sehen, bilden die Verbindungsbereiche 60 zwischen den freien
Enden 58 der Arme 56 eine Struktur mit im wesentlichen
kreisförmigen
Außenumfang.
In den Bereichen, wo die Enden 58 der Arme 56 in
entsprechende Verbindungsbereiche 60 übergehen, weisen diese jeweils
einen Schlitz 62 auf. Die Schlitze 62 weisen Abmessungen
auf, die davon abhängen,
in welcher Form eine elastische Verformbarkeit der Verbindungsbereiche 60 erwünscht und/oder
vorgegeben ist.
-
Den Licht emittierenden optoelektronischen Einrichtungen 20 gegenüber liegend
sind Licht detektierende optoelektronische Einrichtungen 36 angeordnet.
Bei der dargestellten Ausführungsform
sind die detektierenden optoelektronischen Einrichtungen 36 in
Bereichen 64 der Verbindungen 60 angeordnet, die
nicht geschlitzt sind.
-
Um mittels der in 3 dargestellten Ausführungsform Bewegungen und/oder
Positionen zweier Objekte relativ zu einander zu erfassen, ist für eine relative
Bewegbarkeit der lichtemittierenden optoelektronischen Einrichtungen 20 relativ
zu den jeweils zugeordneten lichtdetektierenden optoelektronischen
Einrichtungen 36 gesorgt. Hierfür werden Arme 56 und/oder
Armenden 58 und/oder Übergänge zwischen
den Armenden 58 und entsprechenden Verbindungen 60 und/oder
Schlitze 62 und/oder Übergänge zu den
Bereichen 64 verwendet, die dafür sorgen, dass diese Strukturen
eine gewünschte und/oder
geforderte elastische Verformbarkeit aufweisen. Zusammenfassend
werden, abgesehen von den Licht emittierenden und detektierenden
optoelektronischen Einrichtungen 20 und 36, die
in 3 dargestellten Komponenten
als Halterung bezeichnet. Aufgrund der elastischen Verformbarkeit
der Halterung werden Relativbewegungen zwischen den Licht emittierenden
optoelektronischen Einrichtungen 20 und entsprechenden
Licht detektierenden optoelektronischen Einrichtungen 36 ermöglicht.
-
Hierbei ist es möglich, die Halterung mit ihren Bereichen 64 an
einer nicht dargestellten Basis oder Referenzebene anzuordnen, während Relativbewegungen
zwischen den Licht emittierenden und detektierenden optoelektronischen
Einrichtungen 20 und 36 verursachende Kräfte in den
Mittenbereich 50 eingeleitet werden. Umgekehrt ist es möglich, den
Mittenbereich 50 zu fixieren, und Relativbewegungen zwischen
den Licht emittierenden und detektierenden optoelektronischen Einrichtungen 20, 36 durch Krafteinleitung
in die Verbindungen 60 und/oder Bereiche 64 zu
bewirken.
-
Abgesehen von den im folgenden beschriebenen
Unterschieden, entspricht die in 4 dargestellte
Ausführungsform
der Ausführungsform
von 3. Bei der Ausführungsform
von 4 werden Messzellenanordnungen
gemäß 1 verwendet, wobei im Unterschied
zu 1 Schlitzblenden 8' verwendet werden,
die nicht mit entsprechenden Infrarotleuchtdioden baueinheitlich
integriert sind. Vielmehr sind bei dieser Ausführungsform die Schlitzblenden 8' als separate
Komponenten ausgeführt, die
an dem Mittenbereich 50 bzw., falls vorgesehen, an den
Bereichen 54 angebracht sind.
-
Des weiteren zeigt 4 eine Referenzebene oder Basis 66,
an der die Bereiche 64 befestigt sind. Dementsprechend
werden Relativbewegungen zwischen den Licht emittierenden und detektierenden
optoelektronischen Einrichtungen 20, 36 durch Krafteinleitung
in den Mittenbereich 50 bewirkt. Dieser ist im Gegensatz
zu 3 perforiert ausgeführt, um
die Masse der gesamten Anordnung zu verringern. Des weiteren weist
der Mittenbereich 50 einen zur Krafteinleitung verstärkten Bereich 68 auf.
-
Auch die Bereiche 64 sind
bei der Ausführungsform
von 4 zur Gewichtsverringerung
perforiert ausgeführt.
Zur Befestigung der Bereiche 64 an der Basis 66 werden
an den Bereichen 64 abgeordnete Verbindungen 70 verwendet.
Ein weiterer Unterschied zu der Ausführungsform von 3 ergibt sich durch die Ausführung der
Verbindungen 60. Diese sind hier nicht geschlitzt ausgeführt, sondern weisen
Strukturen mit geringeren Abmessungen auf, die entsprechend der
gewünschten
und/oder geforderten elastischen Verformbarkeit dimensioniert sind.