TW542897B - Arrangement for the detection of relative movements or relative positions of two objects - Google Patents

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五、發明說明（/) 【本發明之領域】 本發明係有關於-種偵測兩物體相對運動或相對位置 之光電裝置，該裝置包括至少兩個位置感光债測器，而每 個位置感光侦測器係被一光照射機制所照射，以形成一測 ^單元。此外，本發明係有關於運用如此—裝置的一種力 量感測器。最後，本發明係有關於包括有本發明之力量感 測器的一個人電腦鍵盤。 心 【本發明之背景】 在力量感測器中用以偵測兩物體之相對運動或相對位 置<裝置中，具有光電測量單元的裝置已被廣泛地使用。 其原因是其簡單之構造卻具有高精準度和可靠性。 33 7 A1 一文揭露能夠同時偵測六個向量 的-光電裝置，即沿著三個軸的位移和繞著此三軸之角翁 轉，孩光電裝置係容納於_塑膠球中。為達此目的，在相 隔大致相等之角距離的—平板上安裝了六個光照射機制。 在每？光照射前面則放置有—靜止狹缝光圈。相對運動减 相對位置是由可移動式光感檢測器所感測，該可移動 感檢測器係安裝相對於該照射機制和狹 器之光軸大致上係以垂纽狹縫方向的方向延伸。該^ 僅需要較少的結構設計，因為光照射機制和光圈和任 他用以控制與計算的電子機制—樣可藉由—傳統烊接技術 而被安裝於一單一印刷板上’以穩固地連接至-第一物 五、發明說明（2) 體。而位置感光偵測器均與 的裝置的缺點是需要較大的面積。然而’如此 的較大空間範圍係設置於光昭射心原因為光圈和檢測器 中。这將徒得裝m 機制周遭的-個環形模式 中k將使传裝置的小型化受到限制。 下列文件係説明本發明的技術背景. DE 27 27 704 C3; DE 3 6 1 1 336 γΪ r, A1；US 3,92 1,445;US 3,6285394C2；DE 32 40 24 1 本發明之用以測量相對運動或相對 及利用這樣的裝置的力量感測器在過去已建立一先定= 性，其主要是工業方面的應用。文中所述之力量感測器係 用以感測力ϊ和/或力矩之感測器。例如_人的控制 和在機動測驗和測量的工作台中的力量測量。一般而言， 裝置和感測器也被提供於最令人關注的商業應用中，如辦 公莖領域和娱樂電子產品領域。這些裝置借助一輸入裝置 便具有輸入的功能，便可輸入六個向量，而一操縱桿、一 滑鼠或一追蹤球這種通常允許僅僅兩個部分的輸入开$成強 烈的對比。舉例而言，由具有一光電裝置的一力量感測器 所提供之六個向量的一簡便的輸入方式是較佳的作法，例 如3D設計軟體或高度發展電腦遊戲的控制。基於它們的 外觀需要，目前這些輸入裝置均十分難以操控，而限制了 其廣泛應用。一小型化裝置應能夠被安裝於如遊戲操作 台、個人電腦鍵盤或筆記電腦内，並可能成為市場上的一 主力產品。 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 542897 A7 B7 五、發明說明（5 發明人爰因於此，本於積極發明之精神，亟思一種可 以解決上述問題之「偵測兩物體相對運動或相對位置之裝 置」，幾經研究實驗終至完成此項嘉惠世人之發明。 以目前科技水準為基礎，本發明係以物體為基礎而設 。十一種用於锁測兩物體的相對位置或相對運動的裝置。與 習知之裝置相比較，本發明之裝置所需之面積較少。本發 明又以物體為基礎而設計一種力量感測器。同樣的，與習 知 < 裝置相比較，本發明之裝置所需之面積較少。最後， 本發明係以物體為基礎而設計一種輸入裝置，該輸入裝置 係運用於可容許包含有六個力量或力矩向量的一簡單輸入 的一營業環境。 【本發明之概述] 濟 員 裝

I 為L成上述之目的，本發明|疋供一種偵測兩物體相對 運動或f對位置之光電裝置，該裝置至少包括兩個光電元 件，而每個位置感光偵測器係被一光照射機制所照射，以 形成-測量單元，以及專利申請範圍第（項中所定義的特 性。此外，本發明提供如專利申請範圍第13項中所定義 的一種力量感測器。最後，本發明提供如專利申請範= 第1 9項中所定義的一個人電腦鍵盤。 、…在本發明的一可能發展中’所有的光照射機制如紅外 線光源照射二極體（i n f r a r e d 1 i g h t e m i 11 i η a y ·

Llng diodes， IL E D) ’而每一位置感光偵測器如一位置 △尤紅外線偵測 0 本纸張尺度適用中國國家標牟（CNS)A4規格（2〗G X 297公爱 542897 A7 B7 五、發明說明（0 ) 器，均設置於一第-共同平板上。而在另_可能的發展 中，孩裝置則至少包含有至少四個光電元件，而該光電元 件係設置於至少-個第一平板與一第二平板，以此方式使 至少二個光電7C件係設置於該第一平板，而至少一個光電 元件係設置於該第二平板，而該第一平板與一第二平板係 設置相互平行。 光照射機制係設置於一第一封閉虛構表面上，該第一 裝 封閉虛構表面之每—個部位的各自照射方向係朝向由第一 表面狀義的-第-内部空間，而每_個部位係為平 凸出。 訂 ”除了光照射機制之外，位置感光偵測器也可設置於一 弟二封閉虛構表面上，該第二封閉虛構表面之每—個部位 的各自感光面係面向由該第一表面所定義的一第二内部* i 間，而每一個部位係為平坦或凸出。第-和第二内部二 也可邵分地或完全地相結合，而因此產生一共有内部；: 形成於光照射機制和位置感光❹m所設置之位^ 近。在本發明的-較佳實施例中，來自該光 射至相對的位置感光偵測器的-測量單元的光線則1 = 過該共有内部空間。 疋穿

為了能夠利用於光電裝置來測量所有六個自 沿耆三線性獨立軸的位移和相對於三線性獨立轴的^轉，P |__. 7 t ®ϊϋί|1 (CNS)A4 (210 x 29fi^7 五、發明說明（r) 裝置的-較佳實施例至少包括六個位置感光偵測器。 在本發明的另—發展中，位置感以貞測器與鄰近的位 置上、光U态係成對地排列，而該位置感光摘測器對包含 有一位置感光偵測器用以偵測大致垂直於第一平板的一移 動以及卩置感光偵測器用以偵測大致水平於第一平板的 -移，。如果所有的侧器都設置於同—平板上時，每對 (、測抑可叹置^鄰於另一個偵測器。如果偵測器是分散於 兩個或以上的平板上時，每對偵測器可設置重疊於其他的 偵測器對上。 Μ此外’使每—對位置感光偵測器係被定位個大致 相等的角距離相間隔，以對著大致垂直於位置感光偵測器 所設置<平面的轴心而旋轉。#—共有平面上設有三個位 置感光偵測器，第二和第三位置感光偵測器裝置分別地將 就第：個位置感光偵測器的方向而轉動一完全旋轉的三分 之一或二分之二。 糸V人敉佳的結構中，具有一狹小側向負 的光照射機制係設置於每兩對位置感光偵測器之間。另 外，光照射機制對係被定位於—個大致相等的角距離相 隔，=著大致垂直於該第—平—心而相對_。 二：：僅ΐ與:共用光照射機制相關連的-個或兩個 心光ί、測器被讀測，以使光照射機制僅可與其中之一, 置感光Υ貞測咨形成·一測量單元。 ^42897 A7

五、發明說明（7) 在-特別的較佳實施例中，光照射機 t心U於在—圓柱形印刷電路板的側面，並面向中 圓柱：圓=Ρ刷電路板的表面是由1柱的-表面或- °刀表面所疋義。-圓柱的表面係由沿著一曲線 的一直線的平行轉移所產生。 此外，印刷電路板可用以防卜φ兩 離光線。 防止先电偵測器遭受外部偏 本發明之力量感測器至少包括-第-和第二平板，. 第：和第二平板係彈性地以可相對移動的方式：互連接: 括本發明用以偵測第-和第二平板之間的相對, 動或相對位置的裝置0這此平 奸、二千板應為印刷電路板，因為蔡 弟一平板應具有所有電子愛株，士、甘σ , 戌上从， ,⑨于；件，尤其是光照射機制和位置 感光偵測器’以及用以控制光照射機制、放大器以及一資 :轉變的數位部分（如有需要）、和/或其他的機制的控 藉由將所有的電子零件設㈣—單—印刷電路板 上，和可有效地減少製造期間的安裝成本。 兩個平板係由至少—個彈簧和/或緩衝機制所連接， 更由下列零件或其結合之_中所挑選：螺旋狀彈簧、彈菁 配件、彈性體與鑄造樹脂。這些彈簧和/或緩衝機制承擔 五、發明說明（f) ’作用於彼此相 置而被測量。 轉矩。如果它們的彈性性質為已知 對的力量和轉矩將可從兩個平板的相對位 阿1固卞板係由二個遝铱i ,上 佳的作法。而彈勞和一,2;::緩衝機制所連接係為較 繞…設置，並也固轉:稱的方式園 力量將產生作用於力量感測器上。更且不變的對稱 地設計三個彈簧或缓衝機制可精準 旋轉的三分之-。 、力{固而轉動-完全 在一 較佳貫施例中，至少 舍括^^丨、一彻^ w A /個弹更和/或緩衝機制需 地分;連：;Γ:;Γ相反末端係透過焊接牢固 可在任何方向上載重…之：二?：：，彈性體零件 F^、A Α 換，*檢向作用力量如張力和 壓、廣力施加至彈性體零件時，將不需使用安裝座或將彈性 體零件移入安裝座。 在-較佳實施例中，力量感測器包括至少一個停止機 制’以限制兩平板朝向彼此的相對運動。該停止機制可為 一停止螺栓，以牢固地連接至一平板。利用這種方式可避 免力量感測器過載。 本發明用於偵測兩物體之相對運動或相對位置的裝置 架構具有以下有益的特性結果： 542897

下

除了上述結果，本私 、 下列的有利特性結果：X《量感測器的架構則另具有 制所造成之傷害。 低磁化率預防該停止機 除了上述結果，本發明之個人電腦鍵盤的架構則另且有 列的有利特性結果： ]木傅d另具有 4·^個^算機鍵盤可容許個人計算機接收—多達六個 向ΐ的簡單輸入。 由於本發明構造新穎，能提供產業上利用，且確有增 進功效，故依法申請發明專利。 【圖式簡單説明】 第1圖係顯示本發明之力量感測器具有用以偵測兩物體相 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對運動或相對位置的一光電裝置的一較佳實施例的剖面 圖0 本發明的這些特點、觀點和優點會藉由下面的描述， 附加的專利範圍，和説明本發明的實施例之特點的伴隨圖 TF而更容易瞭解0 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 542897 A7 五、發明說明（/〇 ) 【圖號説明】 40 42 - 62 80 44 〜64 120 122 130 紅外線光源照射二極體 位置感測紅外線偵測器 印刷電路板 狹缝光圈 第一平板 彈性體零件 孔洞 142檔板 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 【較佳具體實施例之詳細説明】 如第1圖所顯示用以偵測兩物體相對運動或相對位冒 的光電裝置至少包括六個位置感測紅外線偵測器42、 62 ’每兩個位置感測紅外線偵測器42、62係被三個紅外 線光源照射二極體40其中之一所照亮，以利用一共同^工外 線光源照射二極體而形成三個測量單元。 所有的紅外線光源照射二極體4 〇和位置感光紅外線 偵測詻4 2、6 2均設置於一第一共同平板上，而該第一共 同平板係延伸平行於一第一平板◦另外，紅外線光源照射 二極體的每個光束係延伸於該相關測量單元之光電元件所 設置之平板上。 13 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 • n n n ----訂--------- 五、發明說明（） 、三個紅外線光源40照射二極體係設置於一周邊上。 試想該^邊係為一球狀表面的周邊，此球狀表面的周邊便 形成第一虛構封閉表面，它的每一個定點都是平板或凸 =的。在該表面的内部，三個紅外線光源照射二極體40的 设置可使它們的各自照射方向均延伸朝向一第一内部空 間’孩第一内邵空間係由該第-表面所定義。換句話説， 所有紅外線光源照射二極體4〇從虛構封閉由球狀表面的内 側照射球體的内部。 如同紅外線光源照射二極體4〇，位置感測紅外線偵 測器42、62係安裝於平板12〇並設置於一第二周邊上。該 周邊係為一球狀表面的周邊，此球狀表面的周邊便形成一 第二虛構封閉表面，它的每一個定點都是平板或凸面的。 而六個位置感光偵測器42、62係以如此的方式設置，以 使它們各自的感光面面向由該第二所定義之一第一内部空 間。第一内邵空間和第二内部空間是完全地重疊，以形成 一共有内部空間與該第一内部空間相結合。而光照射機制 40和位置感光偵測器42、62係設置圍繞著該共有内部空 間。一測量單元的紅外線光源照射二極體4〇和其相關的位 置感光偵測器42、62係以彼此相對的方式所設置，而光 線則穿過該共有内部空間。 在此處所介紹的一較佳實施例中，光電裝置能夠測量 兩個物體之六個自由度的相對運動或相對位置，即三個線 生獨立主間方向的位移和相對於該三個線性獨立的空間方

經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 542897 五、發明說明（丨了） 向的旋轉。為達到這目的，需同時裝有六個位置感測紅外 線偵測益4 2、6 2，與六個紅外線光源照射二極體’ s 4 〇、 6 0，以形成六個測量單元。 另外，位置感測紅外線偵測器4 2、6 2係成對地設置， 而每對位置感測紅外線偵測器42、62包含有一位置感測 紅外線偵測器4 2用以偵測垂直該第一平板的一移動之和一 位置感測紅外線偵測器6 2用以偵測該第一平板的一移動。 此外’每一個位置感測紅外線偵測器42、62係繞著垂直 於第一平板之軸心而轉動一完全旋轉之三分之一。每一個 紅外線光源照射二極體4 〇係設置於每對位置感測紅外線偵 測器42、62之間。以完全相同的方式，定位於一相等角 距離的紅外線光源照射二極體4 〇係繞著於同樣垂直於第一 平板之轴心而轉動。 在每個測量單元中，位於位置感測紅外線偵測器前方 之紅外線光源照射二極體的光束路徑中設置一狹缝光圈 44、64 ◦狹缝光圈包括一狹窄狹缝，因此僅有一狹窄光 帶照射於位置感光偵測器42、62上。狹缝光圈之狹缝的 方向係垂直於偵測器之軸心，即為偵測器的測量方向。由 於貫際上系統光照射機制4 〇、6 0的一元件、狹縫光圈 44、64和位置感測紅外線偵測器42、62係以可相對於其 他元件產生移動的方式而設置，因此測量單元可偵測相對 運動和相對位置。檔板1 4 2係位於紅外線光源照射機制後 方以避免該測量單元遭受外來的偏離光線。 __ 15 本紙i尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 五、發明說明（ο ) 在此處所紹之一較佳實施例中，挟缝光圈4 4、6 4 係可相對万；位置感光偵測器42、62和紅外線光源照射機 制而私動。位置感光偵測器4 2、6 2和紅外線光源照射二 極心4 0係牛固地安裝於圓柱形印刷電路板$ 〇上。 。。狹、、逢光圈4 4 ’ 6 4係分發至一對排列相互重疊的偵測 器係結合成為具有兩互呈垂直之兩狹、缝的一單一狹縫光圈 4 4、6 4 〇 在第1圖中所顯示的力量感測器係由一第一平板1 20 和一第一平板所構成，而第一平板12〇和第二平板係彈性 地以可相對移動的方式相互連接。而力量感測器也包括本 發月之用以偵測第一平板丨2 〇和第二平板之間的相對運動 或相對位g的裝置。第—平板應是—印刷電路板如印刷電 路板8〇，並載有紅外線錢、照射：極體4G、60，而位置 感光紅外線_器4 2、6 2則牢固地焊接於其上。此外， 第一平板120則另載有電子零件。狹缝光圈44，64牢固地 連接至第二平板。 ^彈性體零件122係用作為彈簧與緩衝機制並彈性地將 第一平板120和第二平板相互連接。彈性體零件122之一 末场係知接至第一平板丨2 〇，而另一末端則焊接至第二平 板。三個彈性體零件之旋轉係為對稱的設計，靠近印刷電 路板120的紅外光照射二極體的附近。 五、發明說明（丨 為限制兩平板120的相對運動或相對位置，以 :量會對力量感測器造成損害，三個停止螺检係了 以，供V止機制。停止螺栓係透過第一平板上的孔洞 、，牛口地連接至第二平板12〇。第一平板相對於第 一平板所產生的水平運動係由停止機制與第一平板1 2 〇之 孔洞130的直徑所決定。兩個平板之間的相對運動係受限 於螺栓形狀停止機制的間隙。從第二平板至螺栓的間隙距 料定内部範圍，帛—平板12G和第二平板係可在該内部 範圍中相對移動於一垂直方向。 综上所陳，本發明無論就目的、手段及功多支，在在均 顯示其迥異於習知技術之特徵，a「偵測兩物體相對運動 或相對位置之裝置」之—大突破，懇冑貴審查委員明 察，早曰賜准專利，俾嘉惠社會，實感德便。惟應注意的 是，上述諸多實施例僅係為了便於説明而舉例而已，本發 明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而^ 僅限於上述實施例。

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Β8 . C8 ^_^_ /、、申請專利範圍 •、種偵測兩物體的相對運動或相對位置之光電裝置， 錢置主要包括至少兩個光電元件而每一個光電元件 係被一光照射機制所照射，以形成一測量單元，其特 為一光照射機制完全照射兩個位置感光偵測器，以 形成具有一共同光照射機制的兩測量單元。 如申叩專利|(!圍第丨項所述之光電裝置，其特徵為所有 的紅外線光源照射二極體和位置感光紅外線偵測器均 設置於一共同平板上。 3·如申請專利範圍第丨項所述之光電裝置，其特徵為該裝 置至少包含四個光電元件，其可為一光照射機制或位 置感光偵測器，而該光電元件係設置於至少一個第一平 板與一第一平板’以此方式使至少三個光電元件係設 置於該第一平板，而至少一個光電元件係設置於該第 二平板，而該第一平板與一第二平板係設置相互平 行〇 4 _如申请專利範圍第1或2項所述之光電裝置，其特徵為 孩光照射機制係設置於一第一封閉虛構表面上，該第 一封閉虛構表面係為平坦或凸出在每一定點，如此使 知其各自知、射機制面向深入一第一内部空間，該第一 内部空間係由該第一表面所定義。 5·如申請專利範圍第1項所述之光電裝置，其特徵為該位 置感光偵測益係設置於一第二封閉虛構表面上，該第 一封閉虛構表面係為平坦或凸出在每一定點，如此使 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） --------1---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 542897

   、申請專利範圍 7 得其各自感光面面向一第一内部空間，該第一内部空 間係由該第二表面所定義。 6.如申請專利範圍第丨項所述之光電裝置，其特徵為該光 電裝置至少包括六個位置感光偵測器，用以偵測六個自 由度。 如申請專利範圍第1項所述之光電裝置，其特徵為位置 感光偵測器與其鄰近的位置感光偵測器係成對地設置， 每對各包含有一位置感光偵測器，用以偵測大致垂直 於第一平板的一移動，以及一位置感光偵測器，用以 偵測大致水平於第一平板的一移動。 8 _如申請專利範圍第7項所述之光電裝置，其特徵為該位 置感光偵測器係定位於一大致相等的角距離以相互間 隔，以相對於一軸心旋轉，而該軸心係大致延伸垂直 於該第一平板。 9·如申請專利範圍第7項所述之光電裝置，其特徵為該光 照射機制係定位於每對位置感光偵測器之間，而每對均 已一大致相等的角距離而相互間隔，以相對於一軸心 而產生相對旋轉，而該軸心係大致延伸垂直於該第一 平板。 10,如申請專利範圍第2項所述之光電裝置，其特徵為 該測塁單元至少包括一狹缝光圈，而每個狹缝光圈係 设置於孩光照射機制和該位置感光偵測器之間的光照 射機制的光束路徑中，而一偵測器之軸心保垂直於該 狹缝光圈 < 狹縫的方向，而由光照射機制與狹缝光圈 ^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

   X 297公釐） 542897 AS BS C8 D8 六、申請專利範圍 孩位置感測紅外線偵測器所組成之系統的一元件係以 了相對於其他元件產生移動的方式而設置。 11·如申凊專利範園第1 〇項所述之光電裝置，其特徵為 在每個測τ單几中的狹缝光圈係可相對於該光照射機 制和該位置感光偵測器而產生移動。 •、如申租專利範圍第1 0項所述之光電裝置，其特徵為 該光照射機制和/或該位置感光偵測器係安裝於一圓柱 狀印刷電路板。 13.-種力量感測器具有一第一平板和一第二平板，該 弟-平板和第二平板係彈性地以可相對移動的方式相 互連接，其特徵為如中請專利範園心項至第12項所述 訂 《用以偵測兩物體相對運動或相對位置之光電裝置。 14·如申請專利範圍第1 3項所述之力 Ή宜n 力I感測器，其特徵 為该罘一平板和弟二平板係藉由一 相互連接。 由^和/或緩衝機制 線 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 15 A如申請專利範圍第13項所述之力量感測器，其特徵 為孩—彈簧和/或緩衝機制係由下列零件或m :旨:挑選:螺旋狀彈簧、彈簧配件、彈性體與二Γ 16·如申請專利範圍第Μ項所述 ,^ ^ ^又力夏感測器，兑牿料 17. 為该彈簧和/或緩衝機制係設計大致為旋轉對/争徵 如申請專利範圍第14項所述之 一舟。 為至少-個彈簧和/或緩衝機制需包’其特徵 彈簧牢固地分別連接至該第一與^至 > 一個螺旋性 ^ 一平板。 __ 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 542897

   六、申請專利範圍 18,如申請專利範圍第1 4項所逑之Λ β Λ . , ^ ^ , y 力葛感測器，其特徵 為另包括至少一個停止機制， 的相雜 兩千板朝向彼此 19·-種個人電職盤’其特徵為包含有 圍第14項所述力量感測器。 甲w專利輕 --------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 21 拿、紙張尺度適周中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐）