一种用来探测两物体间的相对运动或相对位置的装置 【技术领域】
本发明涉及一种用来探测两物体间的相对运动或者相对位置的光电装置，其包括至少四个光电元件。而且，该发明涉及使用该装置的力和/或力矩感应器。最后，本发明涉及一种包括本发明的力和/或力矩感应器的个人计算机键盘。
背景技术
对于在通过力和/或力矩感应器来探测两物体间相对运动或者相对位置的装置中的使用，德国3611337A1号专利和德国3314089C2号专利披露了具有光电测量单元的装置；欧洲0117/334A2号专利披露了具有应变仪的装置。因为其结构简单且具有高精度和高可靠性，所以具有光电测量单元的装置已经被广泛地接受。
德国3611337A1号专利公开了一种光电装置，该装置容置于一个塑料球中，该装置可同时探测六个分量，即沿三个轴的直线位移和绕三个轴的角位移。为此，六个发光装置被等角距离地布置在一个平面内。每个发光装置的前面安装有一个固定的狭缝控光装置。相对运动或相对位置可被感光探测器所感应，该感光探测器相对发光装置和狭缝控光装置的排列可移动地设置，且该装置的探测器轴线沿基本垂直于狭缝的方向延伸。该装置要求相对较低的构造要求，因为发光装置和控光装置及其他用来控制和估算的电气装置可被安装在一块单个的印刷板上，该印刷板通过传统的焊接技术与第一物体固连。位置敏感探测器与第二物体相连接。然而，该装置的缺点在于其需要一个较大地面积。这是由控光装置和探测器的相对较大空间区域所引起的，其中控光装置和探测器围绕发光装置以环形模式布置。这限制了所述装置的小型化。
表明了本发明的技术背景、并且并未穷举的其他文件为：德国2727704C3号专利、德国3611336C2号专利、德国3240251A1号专利、美国3921445号专利和美国3628394号专利。
主要在工业应用上，用来测量相对运动或者相对位置的光电装置和使用该装置的力和/力矩感应器的重要性在过去已经增加。例如在自动化测试中和在测量台上对机器人的控制和对力的测量。然而，该装置和感应器通常被商业性地提供于办公领域和娱乐电子领域的最感兴趣的应用中。这里，它们具有输入装置的功能，通过该输入装置最多可以输入六个量，与操纵杆、鼠标或者轨迹球相比，后者通常只允许输入两个量。通过一个具有光电装置的力和/或力矩感应器提供简单且方便的六个量的输入是希望的，如在3D设计软件或者高级计算机游戏的控制中。由于其表面要求，目前的输入装置操作的确笨拙，这不利于任何广泛的销售。输入装置的小型化将会允许将其安装入游戏控制台、个人计算机键盘或者笔记本计算机中，因此可使其广泛地进入市场。
基于该技术发展水平，因此本发明的目的是生产一种用来探测两个物体间相对运动和相对位置的装置，且与现有的装置相比，该装置的表面要求降低了。在此目的基础上，本发明还要进一步生产一种力和/或力矩感应器，且与现有的装置相比，该装置的表面要求也降低了。最后，在此目的基础上，本发明还要生产一种用于办公环境中的输入装置，该装置允许进行最多六个力或扭矩量的简单输入。
【发明内容】
为了达到这一目的，本发明在第一实施例中教导了一种用来探测两物体间相对运动或相对位置的光电装置，其中该装置包括至少四个光电元件，并且被权利要求1的特征所限定。在这种情况下，第一、第二平面，以及，如果可行的话，所有其他平面彼此之间均基本平行设置。根据本发明的用来探测两物体的相对运动或者相对位置的一种光电装置的第二实施例由权利要求2限定。在这种情况下，至少四个光电元件被布置于两个并排定位的表面上。因为与平面相比，这两个表面具有一个被限定的边缘，它们可被布置在同一个平面内，但是彼此相互间隔。作为备选，该两平面可被彼此间隔地布置在不同的平面中(例如不同的水平面)，也就是说，彼此不接触或者不交叉。本发明还教导了一种由权利要求16的特征所限定的力和/或力矩感应器。最后，其教导了由权利要求22的特征所限定的一种个人计算机键盘。
本发明的一个实施例中，四个光电元件中的每个元件或者是位置敏感探测器(优选是红外位置敏感探测器)，或者是发光装置(优选是红外发光装置)。而且，每个位置敏感探测器优选被一个发光装置照亮，以形成以一个测量单元。
在本发明的一个改进中，一个发光装置精确地照亮一个位置敏感探测器，以形成一个测量单元。在作为备选的本发明的改进中，两个位置敏感探测器被一个发光装置照亮，以形成具有一个共同的发光装置的两个测量单元。在这种情况下，优选在每个时刻，两个位置敏感探测器中只有某一个或者另外一个被阅读，以至发光装置总是形成仅具有一个位置敏感探测器的一个测量单元。
由于在每个时刻，一个发光装置只与一个位置敏感探测器相关联这一事实，因此位置敏感探测器的输出信号可用来控制分别关联的发光装置的电流，使得每个位置敏感探测器接收相等且恒定的光量。其优点在于所有测量单元普遍不受温度、老化、污染物和元件公差的影响。红外位置敏感探测器的输出信号还被传输给一个模拟/数字转换器来进一步处理，并且从该处传输给一微处理器。
本发明的一个优选的改进提供了一种特别紧凑的结构，其中将发光装置布置在一个封闭的、假想的且在每一位置都是平面的或者凸面的第一表面上，即使得发光装置各自的发射方向指向由第一表面限定的第一内部空间之内。还优选将所述位置敏感探测器还布置在一个封闭的、假想的且在每一位置都是平面的或者凸面的第二表面上，也就是说，使得它们各自的感光侧指向由第二表面限定的第二内部空间之内。第一和第二内部空间优选部分重合或者甚至全部重合，从而产生一个共同的内部空间，围绕该内部空间布置发光装置和位置敏感探测器。因此，在本发明的一个优选实施例中，从发光装置到其相对的位置敏感探测器的测量单元的光线总是横穿该共同的内部空间。
为了能够通过光电装置来测量所有的六个自由度，也就是沿三个线性独立的轴的移动和绕该三个线性独立轴的转动，一个优选实施例中，该装置包括六个位置敏感探测器。在这种情况下，每个平面优选包括三个位置敏感探测器。而且，每个平面上的位置敏感探测器以彼此之间角距离基本相等的形式定位，从而该探测器围绕一个基本垂直于位置敏感探测器所在平面的轴转动。这意味着当三个位置敏感探测器被布置在同一个平面内时，第二和第三位置敏感探测器相对于第一位置敏感探测器的方向分别大致旋转一个整圈的三分之一或者三分之二。
在本发明的一个改进中，第一平面的发光装置和第二平面的发光装置被成对布置，且其中一个置于另外一个之上。以同样的方式，第一平面的位置敏感探测器和第二平面的位置敏感探测器成对布置，且其中一个置于另外一个之上。这意味着两个发光装置或者两个位置敏感探测器在基本垂直方向上的投影分别重合于两平面之一上。特别优选的是，上下布置的成对的位置敏感探测器包括两个位置敏感探测器，其中一个用来探测基本垂直于第一或者第二平面的运动，另外一个用来探测基本上与第一或者第二平面相水平的运动。这意味着两个发光装置和/或两个位置敏感探测器于基本垂直方向上的投影在两平面之一上重合。特别优选的是，每对重叠的位置敏感探测器包括两个位置敏感探测器，其中一个用来探测基本垂直于第一或者第二平面的运动，另外一个用来探测基本与第一或者第二平面相水平的运动。
发光装置特别紧凑，其横向宽度小，且因此其结构优选被布置在每两对位置敏感探测器之间。
在一个优选的实施例中，用来探测相对运动和相对位置的光电装置还包括一个狭缝控光装置，该狭缝装置被布置在发光装置和位置敏感探测器之间的发光装置的光路上，以至只有一条狭窄的光柱刺射在位置敏感探测器的下游位置上。狭缝控光装置的狭缝的方向基本垂直于位置敏感探测器的探测器轴。
为了能够测量相对运动或者相对位置，系统中的每个元件，即发光装置、狭缝控光装置和探测器相对其它两个元件必须是可移动的。在一个优选的实施例中，发光装置和位置敏感探测器固定地安装在一个印刷板上，而狭缝控光装置可相对它们移动。其优点在于所有的电气元件均可被容置在一个单个的印刷板上。
在一个特别优选的实施例中，发光装置和位置敏感探测器被设在一个柱形印刷板的朝内的一侧上。
柱形印刷板是一种其表面由圆筒表面或者圆筒表面的一部分来限定的印刷板。圆筒的表面是由一条直线沿一条曲线的平行移动来形成的。
其中，印刷板为光电探测器屏蔽外部的散射光。
根据本发明的力和/或力矩感应器包括第一板和第二板，其中第一板和第二板彼此相互弹性连接且可相对运动。感应器还包括本发明的用来探测第一板和第二板的相对运动的装置。在这种情况下，这些板优选为印刷板，其中第一板设置有所有的电气元件，具体包括发光装置、位置敏感探测器、以及用来控制发光装置电流的控制电子仪器、放大器，如果需要，还要包括一个用于数字变换的数字部分和/或其他装置。通过将所有电子元件布置在仅一块印刷板上，在加工过程中该组件的成本被大大降低。
两板通过至少一个弹簧装置和/或阻尼装置来连接，优选由下列元件之一或其组合连接：螺旋弹簧、弹簧组件、弹性体、注塑树脂。这些弹簧和/或阻尼装置吸收力和扭矩。如果它们的弹性性质是已知的，那么相互作用的力和扭矩可以通过两个板的相对位置来测量。
所述两个板优选通过三个弹簧装置和/或阻尼装置来彼此弹性连接。该弹簧和/或阻尼装置优选以旋转对称的方式绕一个中心来布置，测量单元也围绕该中心布置。其优点在于，对称的恒定力作用于力和/或力矩感应器。特别优选的是，三个弹簧或者阻尼装置被精确地布置，使得每个装置都相对另一个装置旋转一整圈的三分之一。
在一个优选的实施方式中，弹簧和/或阻尼装置中的至少一个包括至少一个螺旋弹簧，该螺旋弹簧的两个相对端通过焊接分别与第一板和第二板固连。因而可在所有方向上向螺旋弹簧加载，即可以施加拉伸力、压缩力和横向作用于弹簧的力，而弹簧不会在它们的基座中移动或者甚至从基座中出来。
一个优选的实施例中，力和/或力矩感应器进一步包括至少一个止动装置，该止动装置限制两板间彼此相对运动。优选借助于止动销来实现这一目的，其中止动销被固连到一个板上。通过这种方式，力和/或力矩感应器被给予过载保护。
根据本发明，用来探测两物体间相对运动或相对位置的装置的构造产生下列有利的性质：
1.构造成本低、设计很紧凑；
2.因为使用光电测量单元，而具有的高线性、低滞后且实质上的无磨损。
除了上面所提及的有利的性质之外，根据本发明的力和/或力矩感应器的构造产生下列有利的性质：
3.由于使用止动装置，因而不易受破坏。
除了上面所提及的有利性质以外，根据本发明的个人计算机的键盘的构造产生下列有利性质：
4.新颖的个人计算机键盘允许在个人计算机工作间进行最多六个量的简单输入。
下面将结合附图描述一个优选实施例，根据下列描述理解本发明的进一步特性、性质和可能的改进对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
【附图说明】
图1在一个没有第二板的立体图中示出了本发明的力和/或力矩感应器的一个优选实施例，其中力和/或力矩感应器具有本发明的用来探测两物体间的相对运动或相对位置的光电装置。
图2在一个具有第二板的立体图中示出了本发明的力和/或力矩感应器的同一个优选实施例，其中力和/或力矩感应器具有本发明的用来探测两物体间的相对运动或相对位置的光电装置。
图3在一个没有第二板的立体图中示出了本发明的力和/或力矩感应器的另一个优选实施例，其中力和/或力矩感应器具有本发明的用来探测两物体间的相对运动或相对位置的光电装置。
【具体实施方式】
图1示出了一种用来探测两物体间的相对运动或者相对位置的光电装置的第一实施例，该装置包括十二个光电元件，也就是六个红外线发光二极管40、60和六个红外位置敏感探测器42、62，所述元件被布置在第一平面和不同于第一平面的第二平面上。六个光电元件40、42，即三个红外线发光二极管40和三个红外位置敏感探测器42被布置在第一平面上，而六个光电元件60、62，即三个红外线发光二极管60和三个红外位置敏感探测器62被布置在第二平面上。
每个红外位置敏感探测器42、62都被一个红外线发光二极管40、60照亮。在每种情况下，一个红外线发光二极管40、60都准确地照亮一个位置敏感探测器42、62，以形成一个测量单元。光束在相同的平面上延伸，该平面上设置有各测量单元的光电元件。
红外线发光二极管成对布置在印刷板零件上，这些印刷板零件与安装有位置敏感探测器42、62的印刷板零件共同形成一个具有六角形截面的柱形表面80。如果柱形表面的开口被想象成是被一个上端和下端的平面状表面所封闭的，那么就形成了一个假想的、封闭的、每个位置都是平面的或者凸面的第一表面。在这个表面内部设置六个红外线发光二极管40、60，使得其各自的发射方向指向由第一表面限定的第一内部空间。换句话说，所有红外线发光二极管40、60由印刷板80的内侧发光进入由印刷板80限定的柱形体的内部。
像红外线发光二极管40、60一样，红外位置敏感探测器42、62被安装在印刷板80的内侧，即安装在一个平面的或者凸面的、封闭的、假想的第二表面上。设置六个位置敏感探测器42、62，使得其各自的感光侧指向第二内部空间。第一表面和第二表面是相同的，因此第一内部空间和第二内部空间完全重合，以形成一个共同的内部空间。这样，发光装置40、60和位置敏感探测器42、62围绕共同的内部空间布置。红外线发光二极管40、60和一个相关联的测量单元的位置敏感探测器42、62彼此相对布置，并且光横穿共同的内部空间。
采用这里讨论的最佳实施例的光电装置以六个自由度来测量两个物体间的相对运动和相对位置，即在三个线性独立的空间方向上的位移和同样围绕这三个线性独立的空间方向的转动。为此目的，提供了六个红外位置敏感探测器42、62，它们和六个红外线发光二极管40、60共同形成六个测量单元。而且，红外位置敏感探测器42、62均彼此相对布置，彼此绕由印刷板80限定的柱形表面的对称轴旋转三分之一圈柱形。准确地以相同的形式，红外线发光二极管40、60以完全相同的方式布置，即其中任一个相对另外一个绕相同的对称轴旋转三分之一圈。所述对称轴垂直于第一平面和第二平面延伸。
第一平面的一个红外线发光二极管40和第二平面的一个红外线发光二极管60彼此上下成对布置。第一平面的红外位置敏感探测器42和第二平面的一个红外位置敏感探测器62以完全相同的方式彼此上下成对设置。两个发光二极管40、60或者两个红外位置敏感探测器42、62在垂直方向上的投影，在两平面之一内总是分别重合。成对的红外线发光二极管40、60布置在每两对红外位置敏感探测器42、62之间。
每对叠置的红外位置敏感探测器42、62包括一个用来探测垂直于第一平面的运动的红外位置敏感探测器42，和一个用来探测在第一平面内的运动的位置的红外位置敏感探测器62。
为此目的，在每个测量单元中，狭缝控光装置22、64被布置在红外线发光二极管的光束路径上，且位于红外位置敏感探测器的前方。狭缝控光装置设有一个狭缝，使得只有一条狭窄的光带射在位置敏感探测器42、62上。狭缝控光装置的狭缝方向垂直于检测器的轴线，也就是检测器的测量方向。由于系统的发光装置40、60、狭缝控光装置22、64和红外位置敏感探测器42、62中的一个元件被设置成可相对其它元件运动，因而测量单元可探测其相对运动和相对位置。
在这里讨论的优选实施例中，狭缝控光装置44、64可相对于红外位置敏感探测器42、62和发光装置40、60移动。位置敏感探测器42、62和红外线发光二极管40、60固定地设置在柱形印刷板80上。被分配给一对叠置的探测器的狭缝控光装置44、64组合成一个单个的狭缝控光装置44、64，其两狭缝彼此相互垂直延伸。
图1和图2还示出了力和/或力矩感应器，该力和/或力矩感应器由第一板120和第二板140组成，第一板120和第二板140彼此弹性连接且可相对运动。该感应器设有本发明的用于探测第一板120和第二板140之间的相对运动或相对位置的装置。第一板优选为一个牢固焊接有印刷板80的印刷板，其中印刷板80设有红外线发光二极管40、60和红外位置敏感探测器42、62。第一板120进一步设有电气元件。狭缝控光装置44、64以焊接方式与第二板140固连。
螺旋弹簧122用作实现第一板120和第二板140彼此弹性连接的弹簧装置。螺旋弹簧122的一端焊接于第一板120，另外一端焊接于第二板140。所提供的三个螺旋弹簧旋转对称排布，也就是说，每个弹簧布置在一对红外线发光二极管40、60处且在印刷板80外侧附近。
提供三个止动装置124来限制两板120、140之间的相对运动或者相对位置，其中止动装置124是止动销的形式，从而使得任何的过载都不能毁坏力和/或力矩感应器。止动销与第一板120固连，并且延伸通过第二板140的孔130。第一板120相对第二板140的水平运动由止动装置124的直径和第二板140上的孔130的直径来限定。两板120和140的相对运动被销状止动装置124上的扩大部分126、128限定。在销124的方向上，扩大部分126、128到第二板140的距离决定了第一板120和第二板140在垂直方向上进行相对运动的范围。
图3示出了用来探测两物体之间相对运动或者相对位置的一种光电装置的第二实施例，该装置包括十二个光电元件，也就是六个红外线发光二极管40、60和六个红外位置敏感探测器42、62。六个光电元件40、42，即三个红外线发光二极管40和三个红外位置敏感探测器42，被布置于第一表面上，而六个光电元件60、62，即三个红外线发光二极管60和三个红外位置敏感探测器62被布置在第二表面上。此处上下文中所用术语“表面”是指两个彼此独立的印刷板P1、P2，其上布置有两组光电元件。然而，也可将两印刷板P1、P2设计为一块不间断的印刷板。在这种情况下，两表面被布置在一个平面内。
每个红外位置敏感探测器42、62被一个红外线发光二极管40、60照亮。每个红外线发光二极管40、60准确地照亮一个红外位置敏感探测器42、62，以构成一个测量单元。光束在相同的平面内延伸，相应的测量单元的光电元件被布置在该平面内。
除了在上面描述的实施例中，在其他各种情形下只有红外线发光二极管40或者红外线发光二极管60单独地分别安装在印刷板零件80a和80b上，该印刷板零件80a、80b与印刷板零件80c、80d一起构成一个封闭的均具有六边形截面的柱形表面，其中刷板零件80c、80d安装有对红外位置敏感探测器42、62。如果柱形表面的开口被想象成是由一个上端平面状表面和一个下端平面状表面所封闭的，那么就形成了一个假想的、封闭的、每个位置都是平面的或者凸面的表面。在这个表面内部布置六个红外线发光二极管40、60，使得其各自的发射方向均指向由印刷板零件限定的一个内部空间IR。换句话说，所有红外线发光二极管40、60从印刷板零件内部照射进入由印刷板零件限定的圆筒内部。
像红外线发光二极管40、60一样，红外位置敏感探测器42、62被安装在印刷板零件80c、80d的内侧，也就是说，安装在平面或者凸面的、封闭的和假想的第二表面上。这样，发光装置40、60和位置敏感探测器42、62在每种情况下都围绕共同的内部空间来布置。红外线发光二极管40、60和一个相关联的测量单元的位置敏感探测器42、62彼此相对定位，并且光线横穿相应的共同的内部空间IR。
该光电产品的实施例适于以六个自由度来测量两物体间的相对运动和相对位置，也就是说三个线性独立的空间方向上的位移和绕三个线性独立的空间方向的旋转。为此，提供六个红外位置敏感探测器42、62，它们和六个红外线发光二极管一起组成六个测量单元。而且，红外位置敏感探测器42、62被布置成其中一个相对另外一个绕柱形表面的对称轴旋转三分之一圈，该柱形表面由印刷板80限定。准确地相同的形式，红外线发光二极管40、60以完全相同的方式布置，即其中一个相对另外一个绕相同的对称轴旋转三分之一圈。对称轴基本垂直于第一、第二印刷板P1、P2或者所述表面延伸。
每个红外位置敏感探测器42、62都包括一个用来探测垂直于印刷板P1、P2或者所述表面的运动的红外位置敏感探测器42，和一个用来探测基本平行于印刷板P1、P2或者其表面的运动的红外位置敏感探测器62。
为此目的，在每个测量单元中，狭缝控光装置22、64被布置在红外线发光二极管的光束路径上，且位于红外位置敏感探测器前方。狭缝控光装置44、64具有一条狭缝，使得只有一条狭窄的光带射在位置敏感探测器42、62上。狭缝控光装置的狭缝的方向垂直于探测器的轴线，也就是探测器的测量方向。由于系统的发光装置40和60、狭缝控光装置44和64，以及红外位置敏感探测器42、62中的一个元件被布置成可相对其它元件运动，因而测量单元可探测其相对运动和相对位置。
在此第二个装置中，狭缝控光装置44、64可相对于位置敏感探测器42、62和发光装置40、60运动。位置敏感探测器42、62和红外线发光二极管40、60被固定在相应的柱形的印刷板80、80’上。这里，具有水平狭缝的狭缝控光装置64被组成一个多角形环65，该多角形环65例如被成型为注模件，且被放置在印刷板80的内部空间IR中。具有垂直狭缝的狭缝控光装置44以同样的形式被组合成一个多角形环，该多角形环被成型为注模件，而且被安装在柱形表面各自的内部空间IR内，其中柱形表面分别由印刷板80和印刷板80’所限定。
为了依靠上述的装置来构造一种力和/或力矩感应器，采用与图1和图2所示实施例相同的形式，在此装置中提供相互弹性连接并且可彼此相对运动的第一板和第二板。为了易于理解，图3并没有表示出上述的两板。第一板可以是牢固焊接有印刷板零件的印刷板P1，所述印刷板零件带有红外线发光二极管40、60和红外位置敏感探测器42、62。如有需要，第一板还可进一步带有电气元件。通过焊接、插接、粘、融焊或者注射的方法，使狭缝控光装置44、64与第二板固连。插入第二板上的相应孔中的环形注模件上的销子69仅作为一个示例。
螺旋弹簧122用作实现第一板120和第二板的弹性连接的弹簧装置。螺旋弹簧122的一端被焊接到第一板，而另外一端被焊接到第二板上。三个螺旋弹簧被提供给两个印刷版P1、P2中的每一个，上述弹簧被旋转对称地安装，也就是说在各种情形下都分别设置在印刷板80、80’外部的附近，且位于红外线发光二极管40、60的附近。
第二板与图3所示的整个装置的两个组件的旋转弹簧相连接，并且也与两个组件的狭缝控光装置44、64相连接。因此可探测并估算出第二板(图3未示出)相对于印刷板P1、P2的力、力矩、位移，或者旋转，印刷板P1和P2作用于第二板。总的说来，图3所示的全部装置准确地作为图1和图2的实施例来应用；其仅具有一个比较平的构造。
为了限制两板之间的相对运动和相对位置，提供止动装置，它们对应于图1和图2所示的三个止动装置。其功能及设计可与图1和图2中的止动装置的功能及设计完全相同。因此，无需重复详述。