專(zhuān)利名稱：一種用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置的光電裝置，其包括至少四個(gè)光電元件。而且，該發(fā)明涉及使用該裝置的力和/或力矩感應(yīng)器。最后，本發(fā)明涉及一種包括本發(fā)明的力和/或力矩感應(yīng)器的個(gè)人計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)。
背景技術(shù)：
對(duì)于在通過(guò)力和/或力矩感應(yīng)器來(lái)探測(cè)兩物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置的裝置中的使用，德國(guó)3611337A1號(hào)專(zhuān)利和德國(guó)3314089C2號(hào)專(zhuān)利披露了具有光電測(cè)量單元的裝置；歐洲0117/334A2號(hào)專(zhuān)利披露了具有應(yīng)變儀的裝置。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有高精度和高可靠性，所以具有光電測(cè)量單元的裝置已經(jīng)被廣泛地接受。
德國(guó)3611337A1號(hào)專(zhuān)利公開(kāi)了一種光電裝置，該裝置容置于一個(gè)塑料球中，該裝置可同時(shí)探測(cè)六個(gè)分量，即沿三個(gè)軸的直線位移和繞三個(gè)軸的角位移。為此，六個(gè)發(fā)光裝置被等角距離地布置在一個(gè)平面內(nèi)。每個(gè)發(fā)光裝置的前面安裝有一個(gè)固定的狹縫控光裝置。相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置可被感光探測(cè)器所感應(yīng)，該感光探測(cè)器相對(duì)發(fā)光裝置和狹縫控光裝置的排列可移動(dòng)地設(shè)置，且該裝置的探測(cè)器軸線沿基本垂直于狹縫的方向延伸。該裝置要求相對(duì)較低的構(gòu)造要求，因?yàn)榘l(fā)光裝置和控光裝置及其他用來(lái)控制和估算的電氣裝置可被安裝在一塊單個(gè)的印刷板上，該印刷板通過(guò)傳統(tǒng)的焊接技術(shù)與第一物體固連。位置敏感探測(cè)器與第二物體相連接。然而，該裝置的缺點(diǎn)在于其需要一個(gè)較大的面積。這是由控光裝置和探測(cè)器的相對(duì)較大空間區(qū)域所引起的，其中控光裝置和探測(cè)器圍繞發(fā)光裝置以環(huán)形模式布置。這限制了所述裝置的小型化。
表明了本發(fā)明的技術(shù)背景、并且并未窮舉的其他文件為德國(guó)2727704C3號(hào)專(zhuān)利、德國(guó)3611336C2號(hào)專(zhuān)利、德國(guó)3240251A1號(hào)專(zhuān)利、美國(guó)3921445號(hào)專(zhuān)利和美國(guó)3628394號(hào)專(zhuān)利。
主要在工業(yè)應(yīng)用上，用來(lái)測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置的光電裝置和使用該裝置的力和/力矩感應(yīng)器的重要性在過(guò)去已經(jīng)增加。例如在自動(dòng)化測(cè)試中和在測(cè)量臺(tái)上對(duì)機(jī)器人的控制和對(duì)力的測(cè)量。然而，該裝置和感應(yīng)器通常被商業(yè)性地提供于辦公領(lǐng)域和娛樂(lè)電子領(lǐng)域的最感興趣的應(yīng)用中。這里，它們具有輸入裝置的功能，通過(guò)該輸入裝置最多可以輸入六個(gè)量，與操縱桿、鼠標(biāo)或者軌跡球相比，后者通常只允許輸入兩個(gè)量。通過(guò)一個(gè)具有光電裝置的力和/或力矩感應(yīng)器提供簡(jiǎn)單且方便的六個(gè)量的輸入是希望的，如在3D設(shè)計(jì)軟件或者高級(jí)計(jì)算機(jī)游戲的控制中。由于其表面要求，目前的輸入裝置操作的確笨拙，這不利于任何廣泛的銷(xiāo)售。輸入裝置的小型化將會(huì)允許將其安裝入游戲控制臺(tái)、個(gè)人計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)或者筆記本計(jì)算機(jī)中，因此可使其廣泛地進(jìn)入市場(chǎng)。
基于該技術(shù)發(fā)展水平，因此本發(fā)明的目的是生產(chǎn)一種用來(lái)探測(cè)兩個(gè)物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置的裝置，且與現(xiàn)有的裝置相比，該裝置的表面要求降低了。在此目的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還要進(jìn)一步生產(chǎn)一種力和/或力矩感應(yīng)器，且與現(xiàn)有的裝置相比，該裝置的表面要求也降低了。最后，在此目的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還要生產(chǎn)一種用于辦公環(huán)境中的輸入裝置，該裝置允許進(jìn)行最多六個(gè)力或扭矩量的簡(jiǎn)單輸入。

發(fā)明內(nèi)容
為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明在第一實(shí)施例中教導(dǎo)了一種用來(lái)探測(cè)兩物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置，其中該裝置包括至少四個(gè)光電元件，并且被權(quán)利要求1的特征所限定。在這種情況下，第一、第二平面，以及，如果可行的話，所有其他平面彼此之間均基本平行設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明的用來(lái)探測(cè)兩物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置的一種光電裝置的第二實(shí)施例由權(quán)利要求2限定。在這種情況下，至少四個(gè)光電元件被布置于兩個(gè)并排定位的表面上。因?yàn)榕c平面相比，這兩個(gè)表面具有一個(gè)被限定的邊緣，它們可被布置在同一個(gè)平面內(nèi)，但是彼此相互間隔。作為備選，該兩平面可被彼此間隔地布置在不同的平面中(例如不同的水平面)，也就是說(shuō)，彼此不接觸或者不交叉。本發(fā)明還教導(dǎo)了一種由權(quán)利要求16的特征所限定的力和/或力矩感應(yīng)器。最后，其教導(dǎo)了由權(quán)利要求22的特征所限定的一種個(gè)人計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，四個(gè)光電元件中的每個(gè)元件或者是位置敏感探測(cè)器(優(yōu)選是紅外位置敏感探測(cè)器)，或者是發(fā)光裝置(優(yōu)選是紅外發(fā)光裝置)。而且，每個(gè)位置敏感探測(cè)器優(yōu)選被一個(gè)發(fā)光裝置照亮，以形成以一個(gè)測(cè)量單元。
在本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)中，一個(gè)發(fā)光裝置精確地照亮一個(gè)位置敏感探測(cè)器，以形成一個(gè)測(cè)量單元。在作為備選的本發(fā)明的改進(jìn)中，兩個(gè)位置敏感探測(cè)器被一個(gè)發(fā)光裝置照亮，以形成具有一個(gè)共同的發(fā)光裝置的兩個(gè)測(cè)量單元。在這種情況下，優(yōu)選在每個(gè)時(shí)刻，兩個(gè)位置敏感探測(cè)器中只有某一個(gè)或者另外一個(gè)被閱讀，以至發(fā)光裝置總是形成僅具有一個(gè)位置敏感探測(cè)器的一個(gè)測(cè)量單元。
由于在每個(gè)時(shí)刻，一個(gè)發(fā)光裝置只與一個(gè)位置敏感探測(cè)器相關(guān)聯(lián)這一事實(shí)，因此位置敏感探測(cè)器的輸出信號(hào)可用來(lái)控制分別關(guān)聯(lián)的發(fā)光裝置的電流，使得每個(gè)位置敏感探測(cè)器接收相等且恒定的光量。其優(yōu)點(diǎn)在于所有測(cè)量單元普遍不受溫度、老化、污染物和元件公差的影響。紅外位置敏感探測(cè)器的輸出信號(hào)還被傳輸給一個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)一步處理，并且從該處傳輸給一微處理器。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的改進(jìn)提供了一種特別緊湊的結(jié)構(gòu)，其中將發(fā)光裝置布置在一個(gè)封閉的、假想的且在每一位置都是平面的或者凸面的第一表面上，即使得發(fā)光裝置各自的發(fā)射方向指向由第一表面限定的第一內(nèi)部空間之內(nèi)。還優(yōu)選將所述位置敏感探測(cè)器還布置在一個(gè)封閉的、假想的且在每一位置都是平面的或者凸面的第二表面上，也就是說(shuō)，使得它們各自的感光側(cè)指向由第二表面限定的第二內(nèi)部空間之內(nèi)。第一和第二內(nèi)部空間優(yōu)選部分重合或者甚至全部重合，從而產(chǎn)生一個(gè)共同的內(nèi)部空間，圍繞該內(nèi)部空間布置發(fā)光裝置和位置敏感探測(cè)器。因此，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，從發(fā)光裝置到其相對(duì)的位置敏感探測(cè)器的測(cè)量單元的光線總是橫穿該共同的內(nèi)部空間。
為了能夠通過(guò)光電裝置來(lái)測(cè)量所有的六個(gè)自由度，也就是沿三個(gè)線性獨(dú)立的軸的移動(dòng)和繞該三個(gè)線性獨(dú)立軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置包括六個(gè)位置敏感探測(cè)器。在這種情況下，每個(gè)平面優(yōu)選包括三個(gè)位置敏感探測(cè)器。而且，每個(gè)平面上的位置敏感探測(cè)器以彼此之間角距離基本相等的形式定位，從而該探測(cè)器圍繞一個(gè)基本垂直于位置敏感探測(cè)器所在平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這意味著當(dāng)三個(gè)位置敏感探測(cè)器被布置在同一個(gè)平面內(nèi)時(shí)，第二和第三位置敏感探測(cè)器相對(duì)于第一位置敏感探測(cè)器的方向分別大致旋轉(zhuǎn)一個(gè)整圈的三分之一或者三分之二。
在本發(fā)明的一個(gè)改進(jìn)中，第一平面的發(fā)光裝置和第二平面的發(fā)光裝置被成對(duì)布置，且其中一個(gè)置于另外一個(gè)之上。以同樣的方式，第一平面的位置敏感探測(cè)器和第二平面的位置敏感探測(cè)器成對(duì)布置，且其中一個(gè)置于另外一個(gè)之上。這意味著兩個(gè)發(fā)光裝置或者兩個(gè)位置敏感探測(cè)器在基本垂直方向上的投影分別重合于兩平面之一上。特別優(yōu)選的是，上下布置的成對(duì)的位置敏感探測(cè)器包括兩個(gè)位置敏感探測(cè)器，其中一個(gè)用來(lái)探測(cè)基本垂直于第一或者第二平面的運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)用來(lái)探測(cè)基本上與第一或者第二平面相水平的運(yùn)動(dòng)。這意味著兩個(gè)發(fā)光裝置和/或兩個(gè)位置敏感探測(cè)器于基本垂直方向上的投影在兩平面之一上重合。特別優(yōu)選的是，每對(duì)重疊的位置敏感探測(cè)器包括兩個(gè)位置敏感探測(cè)器，其中一個(gè)用來(lái)探測(cè)基本垂直于第一或者第二平面的運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)用來(lái)探測(cè)基本與第一或者第二平面相水平的運(yùn)動(dòng)。
發(fā)光裝置特別緊湊，其橫向?qū)挾刃?，且因此其結(jié)構(gòu)優(yōu)選被布置在每?jī)蓪?duì)位置敏感探測(cè)器之間。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，用來(lái)探測(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置的光電裝置還包括一個(gè)狹縫控光裝置，該狹縫裝置被布置在發(fā)光裝置和位置敏感探測(cè)器之間的發(fā)光裝置的光路上，以至只有一條狹窄的光柱刺射在位置敏感探測(cè)器的下游位置上。狹縫控光裝置的狹縫的方向基本垂直于位置敏感探測(cè)器的探測(cè)器軸。
為了能夠測(cè)量相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置，系統(tǒng)中的每個(gè)元件，即發(fā)光裝置、狹縫控光裝置和探測(cè)器相對(duì)其它兩個(gè)元件必須是可移動(dòng)的。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，發(fā)光裝置和位置敏感探測(cè)器固定地安裝在一個(gè)印刷板上，而狹縫控光裝置可相對(duì)它們移動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)在于所有的電氣元件均可被容置在一個(gè)單個(gè)的印刷板上。
在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，發(fā)光裝置和位置敏感探測(cè)器被設(shè)在一個(gè)柱形印刷板的朝內(nèi)的一側(cè)上。
柱形印刷板是一種其表面由圓筒表面或者圓筒表面的一部分來(lái)限定的印刷板。圓筒的表面是由一條直線沿一條曲線的平行移動(dòng)來(lái)形成的。
其中，印刷板為光電探測(cè)器屏蔽外部的散射光。
根據(jù)本發(fā)明的力和/或力矩感應(yīng)器包括第一板和第二板，其中第一板和第二板彼此相互彈性連接且可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。感應(yīng)器還包括本發(fā)明的用來(lái)探測(cè)第一板和第二板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。在這種情況下，這些板優(yōu)選為印刷板，其中第一板設(shè)置有所有的電氣元件，具體包括發(fā)光裝置、位置敏感探測(cè)器、以及用來(lái)控制發(fā)光裝置電流的控制電子儀器、放大器，如果需要，還要包括一個(gè)用于數(shù)字變換的數(shù)字部分和/或其他裝置。通過(guò)將所有電子元件布置在僅一塊印刷板上，在加工過(guò)程中該組件的成本被大大降低。
兩板通過(guò)至少一個(gè)彈簧裝置和/或阻尼裝置來(lái)連接，優(yōu)選由下列元件之一或其組合連接螺旋彈簧、彈簧組件、彈性體、注塑樹(shù)脂。這些彈簧和/或阻尼裝置吸收力和扭矩。如果它們的彈性性質(zhì)是已知的，那么相互作用的力和扭矩可以通過(guò)兩個(gè)板的相對(duì)位置來(lái)測(cè)量。
所述兩個(gè)板優(yōu)選通過(guò)三個(gè)彈簧裝置和/或阻尼裝置來(lái)彼此彈性連接。該彈簧和/或阻尼裝置優(yōu)選以旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的方式繞一個(gè)中心來(lái)布置，測(cè)量單元也圍繞該中心布置。其優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)稱的恒定力作用于力和/或力矩感應(yīng)器。特別優(yōu)選的是，三個(gè)彈簧或者阻尼裝置被精確地布置，使得每個(gè)裝置都相對(duì)另一個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)一整圈的三分之一。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，彈簧和/或阻尼裝置中的至少一個(gè)包括至少一個(gè)螺旋彈簧，該螺旋彈簧的兩個(gè)相對(duì)端通過(guò)焊接分別與第一板和第二板固連。因而可在所有方向上向螺旋彈簧加載，即可以施加拉伸力、壓縮力和橫向作用于彈簧的力，而彈簧不會(huì)在它們的基座中移動(dòng)或者甚至從基座中出來(lái)。
一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，力和/或力矩感應(yīng)器進(jìn)一步包括至少一個(gè)止動(dòng)裝置，該止動(dòng)裝置限制兩板間彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)選借助于止動(dòng)銷(xiāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，其中止動(dòng)銷(xiāo)被固連到一個(gè)板上。通過(guò)這種方式，力和/或力矩感應(yīng)器被給予過(guò)載保護(hù)。
根據(jù)本發(fā)明，用來(lái)探測(cè)兩物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的裝置的構(gòu)造產(chǎn)生下列有利的性質(zhì)1.構(gòu)造成本低、設(shè)計(jì)很緊湊；2.因?yàn)槭褂霉怆姕y(cè)量單元，而具有的高線性、低滯后且實(shí)質(zhì)上的無(wú)磨損。
除了上面所提及的有利的性質(zhì)之外，根據(jù)本發(fā)明的力和/或力矩感應(yīng)器的構(gòu)造產(chǎn)生下列有利的性質(zhì)3.由于使用止動(dòng)裝置，因而不易受破壞。
除了上面所提及的有利性質(zhì)以外，根據(jù)本發(fā)明的個(gè)人計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)的構(gòu)造產(chǎn)生下列有利性質(zhì)4.新穎的個(gè)人計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)允許在個(gè)人計(jì)算機(jī)工作間進(jìn)行最多六個(gè)量的簡(jiǎn)單輸入。
下面將結(jié)合附圖描述一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，根據(jù)下列描述理解本發(fā)明的進(jìn)一步特性、性質(zhì)和可能的改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。


圖1在一個(gè)沒(méi)有第二板的立體圖中示出了本發(fā)明的力和/或力矩感應(yīng)器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中力和/或力矩感應(yīng)器具有本發(fā)明的用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置。
圖2在一個(gè)具有第二板的立體圖中示出了本發(fā)明的力和/或力矩感應(yīng)器的同一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中力和/或力矩感應(yīng)器具有本發(fā)明的用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置。
圖3在一個(gè)沒(méi)有第二板的立體圖中示出了本發(fā)明的力和/或力矩感應(yīng)器的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中力和/或力矩感應(yīng)器具有本發(fā)明的用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了一種用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置的光電裝置的第一實(shí)施例，該裝置包括十二個(gè)光電元件，也就是六個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60和六個(gè)紅外位置敏感探測(cè)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。六個(gè)光電元件40、42，即三個(gè)紅外線發(fā)光二極管40和三個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42被布置在第一平面上，而六個(gè)光電元件60、62，即三個(gè)紅外線發(fā)光二極管60和三個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器62被布置在第二平面上。
每個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62都被一個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60照亮。在每種情況下，一個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60都準(zhǔn)確地照亮一個(gè)位置敏感探測(cè)器42、62，以形成一個(gè)測(cè)量單元。光束在相同的平面上延伸，該平面上設(shè)置有各測(cè)量單元的光電元件。
紅外線發(fā)光二極管成對(duì)布置在印刷板零件上，這些印刷板零件與安裝有位置敏感探測(cè)器42、62的印刷板零件共同形成一個(gè)具有六角形截面的柱形表面80。如果柱形表面的開(kāi)口被想象成是被一個(gè)上端和下端的平面狀表面所封閉的，那么就形成了一個(gè)假想的、封閉的、每個(gè)位置都是平面的或者凸面的第一表面。在這個(gè)表面內(nèi)部設(shè)置六個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60，使得其各自的發(fā)射方向指向由第一表面限定的第一內(nèi)部空間。換句話說(shuō)，所有紅外線發(fā)光二極管40、60由印刷板80的內(nèi)側(cè)發(fā)光進(jìn)入由印刷板80限定的柱形體的內(nèi)部。
像紅外線發(fā)光二極管40、60一樣，紅外位置敏感探測(cè)器42、62被安裝在印刷板80的內(nèi)側(cè)，即安裝在一個(gè)平面的或者凸面的、封閉的、假想的第二表面上。設(shè)置六個(gè)位置敏感探測(cè)器42、62，使得其各自的感光側(cè)指向第二內(nèi)部空間。第一表面和第二表面是相同的，因此第一內(nèi)部空間和第二內(nèi)部空間完全重合，以形成一個(gè)共同的內(nèi)部空間。這樣，發(fā)光裝置40、60和位置敏感探測(cè)器42、62圍繞共同的內(nèi)部空間布置。紅外線發(fā)光二極管40、60和一個(gè)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量單元的位置敏感探測(cè)器42、62彼此相對(duì)布置，并且光橫穿共同的內(nèi)部空間。
采用這里討論的最佳實(shí)施例的光電裝置以六個(gè)自由度來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置，即在三個(gè)線性獨(dú)立的空間方向上的位移和同樣圍繞這三個(gè)線性獨(dú)立的空間方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。為此目的，提供了六個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62，它們和六個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60共同形成六個(gè)測(cè)量單元。而且，紅外位置敏感探測(cè)器42、62均彼此相對(duì)布置，彼此繞由印刷板80限定的柱形表面的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)三分之一圈柱形。準(zhǔn)確地以相同的形式，紅外線發(fā)光二極管40、60以完全相同的方式布置，即其中任一個(gè)相對(duì)另外一個(gè)繞相同的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)三分之一圈。所述對(duì)稱軸垂直于第一平面和第二平面延伸。
第一平面的一個(gè)紅外線發(fā)光二極管40和第二平面的一個(gè)紅外線發(fā)光二極管60彼此上下成對(duì)布置。第一平面的紅外位置敏感探測(cè)器42和第二平面的一個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器62以完全相同的方式彼此上下成對(duì)設(shè)置。兩個(gè)發(fā)光二極管40、60或者兩個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62在垂直方向上的投影，在兩平面之一內(nèi)總是分別重合。成對(duì)的紅外線發(fā)光二極管40、60布置在每?jī)蓪?duì)紅外位置敏感探測(cè)器42、62之間。
每對(duì)疊置的紅外位置敏感探測(cè)器42、62包括一個(gè)用來(lái)探測(cè)垂直于第一平面的運(yùn)動(dòng)的紅外位置敏感探測(cè)器42，和一個(gè)用來(lái)探測(cè)在第一平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的位置的紅外位置敏感探測(cè)器62。
為此目的，在每個(gè)測(cè)量單元中，狹縫控光裝置22、64被布置在紅外線發(fā)光二極管的光束路徑上，且位于紅外位置敏感探測(cè)器的前方。狹縫控光裝置設(shè)有一個(gè)狹縫，使得只有一條狹窄的光帶射在位置敏感探測(cè)器42、62上。狹縫控光裝置的狹縫方向垂直于檢測(cè)器的軸線，也就是檢測(cè)器的測(cè)量方向。由于系統(tǒng)的發(fā)光裝置40、60、狹縫控光裝置22、64和紅外位置敏感探測(cè)器42、62中的一個(gè)元件被設(shè)置成可相對(duì)其它元件運(yùn)動(dòng)，因而測(cè)量單元可探測(cè)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置。
在這里討論的優(yōu)選實(shí)施例中，狹縫控光裝置44、64可相對(duì)于紅外位置敏感探測(cè)器42、62和發(fā)光裝置40、60移動(dòng)。位置敏感探測(cè)器42、62和紅外線發(fā)光二極管40、60固定地設(shè)置在柱形印刷板80上。被分配給一對(duì)疊置的探測(cè)器的狹縫控光裝置44、64組合成一個(gè)單個(gè)的狹縫控光裝置44、64，其兩狹縫彼此相互垂直延伸。
圖1和圖2還示出了力和/或力矩感應(yīng)器，該力和/或力矩感應(yīng)器由第一板120和第二板140組成，第一板120和第二板140彼此彈性連接且可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該感應(yīng)器設(shè)有本發(fā)明的用于探測(cè)第一板120和第二板140之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的裝置。第一板優(yōu)選為一個(gè)牢固焊接有印刷板80的印刷板，其中印刷板80設(shè)有紅外線發(fā)光二極管40、60和紅外位置敏感探測(cè)器42、62。第一板120進(jìn)一步設(shè)有電氣元件。狹縫控光裝置44、64以焊接方式與第二板140固連。
螺旋彈簧122用作實(shí)現(xiàn)第一板120和第二板140彼此彈性連接的彈簧裝置。螺旋彈簧122的一端焊接于第一板120，另外一端焊接于第二板140。所提供的三個(gè)螺旋彈簧旋轉(zhuǎn)對(duì)稱排布，也就是說(shuō)，每個(gè)彈簧布置在一對(duì)紅外線發(fā)光二極管40、60處且在印刷板80外側(cè)附近。
提供三個(gè)止動(dòng)裝置124來(lái)限制兩板120、140之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置，其中止動(dòng)裝置124是止動(dòng)銷(xiāo)的形式，從而使得任何的過(guò)載都不能毀壞力和/或力矩感應(yīng)器。止動(dòng)銷(xiāo)與第一板120固連，并且延伸通過(guò)第二板140的孔130。第一板120相對(duì)第二板140的水平運(yùn)動(dòng)由止動(dòng)裝置124的直徑和第二板140上的孔130的直徑來(lái)限定。兩板120和140的相對(duì)運(yùn)動(dòng)被銷(xiāo)狀止動(dòng)裝置124上的擴(kuò)大部分126、128限定。在銷(xiāo)124的方向上，擴(kuò)大部分126、128到第二板140的距離決定了第一板120和第二板140在垂直方向上進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的范圍。
圖3示出了用來(lái)探測(cè)兩物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)位置的一種光電裝置的第二實(shí)施例，該裝置包括十二個(gè)光電元件，也就是六個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60和六個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62。六個(gè)光電元件40、42，即三個(gè)紅外線發(fā)光二極管40和三個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42，被布置于第一表面上，而六個(gè)光電元件60、62，即三個(gè)紅外線發(fā)光二極管60和三個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器62被布置在第二表面上。此處上下文中所用術(shù)語(yǔ)“表面”是指兩個(gè)彼此獨(dú)立的印刷板P1、P2，其上布置有兩組光電元件。然而，也可將兩印刷板P1、P2設(shè)計(jì)為一塊不間斷的印刷板。在這種情況下，兩表面被布置在一個(gè)平面內(nèi)。
每個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62被一個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60照亮。每個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60準(zhǔn)確地照亮一個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62，以構(gòu)成一個(gè)測(cè)量單元。光束在相同的平面內(nèi)延伸，相應(yīng)的測(cè)量單元的光電元件被布置在該平面內(nèi)。
除了在上面描述的實(shí)施例中，在其他各種情形下只有紅外線發(fā)光二極管40或者紅外線發(fā)光二極管60單獨(dú)地分別安裝在印刷板零件80a和80b上，該印刷板零件80a、80b與印刷板零件80c、80d一起構(gòu)成一個(gè)封閉的均具有六邊形截面的柱形表面，其中刷板零件80c、80d安裝有對(duì)紅外位置敏感探測(cè)器42、62。如果柱形表面的開(kāi)口被想象成是由一個(gè)上端平面狀表面和一個(gè)下端平面狀表面所封閉的，那么就形成了一個(gè)假想的、封閉的、每個(gè)位置都是平面的或者凸面的表面。在這個(gè)表面內(nèi)部布置六個(gè)紅外線發(fā)光二極管40、60，使得其各自的發(fā)射方向均指向由印刷板零件限定的一個(gè)內(nèi)部空間IR。換句話說(shuō)，所有紅外線發(fā)光二極管40、60從印刷板零件內(nèi)部照射進(jìn)入由印刷板零件限定的圓筒內(nèi)部。
像紅外線發(fā)光二極管40、60一樣，紅外位置敏感探測(cè)器42、62被安裝在印刷板零件80c、80d的內(nèi)側(cè)，也就是說(shuō)，安裝在平面或者凸面的、封閉的和假想的第二表面上。這樣，發(fā)光裝置40、60和位置敏感探測(cè)器42、62在每種情況下都圍繞共同的內(nèi)部空間來(lái)布置。紅外線發(fā)光二極管40、60和一個(gè)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量單元的位置敏感探測(cè)器42、62彼此相對(duì)定位，并且光線橫穿相應(yīng)的共同的內(nèi)部空間IR。
該光電產(chǎn)品的實(shí)施例適于以六個(gè)自由度來(lái)測(cè)量?jī)晌矬w間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置，也就是說(shuō)三個(gè)線性獨(dú)立的空間方向上的位移和繞三個(gè)線性獨(dú)立的空間方向的旋轉(zhuǎn)。為此，提供六個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62，它們和六個(gè)紅外線發(fā)光二極管一起組成六個(gè)測(cè)量單元。而且，紅外位置敏感探測(cè)器42、62被布置成其中一個(gè)相對(duì)另外一個(gè)繞柱形表面的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)三分之一圈，該柱形表面由印刷板80限定。準(zhǔn)確地相同的形式，紅外線發(fā)光二極管40、60以完全相同的方式布置，即其中一個(gè)相對(duì)另外一個(gè)繞相同的對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)三分之一圈。對(duì)稱軸基本垂直于第一、第二印刷板P1、P2或者所述表面延伸。
每個(gè)紅外位置敏感探測(cè)器42、62都包括一個(gè)用來(lái)探測(cè)垂直于印刷板P1、P2或者所述表面的運(yùn)動(dòng)的紅外位置敏感探測(cè)器42，和一個(gè)用來(lái)探測(cè)基本平行于印刷板P1、P2或者其表面的運(yùn)動(dòng)的紅外位置敏感探測(cè)器62。
為此目的，在每個(gè)測(cè)量單元中，狹縫控光裝置22、64被布置在紅外線發(fā)光二極管的光束路徑上，且位于紅外位置敏感探測(cè)器前方。狹縫控光裝置44、64具有一條狹縫，使得只有一條狹窄的光帶射在位置敏感探測(cè)器42、62上。狹縫控光裝置的狹縫的方向垂直于探測(cè)器的軸線，也就是探測(cè)器的測(cè)量方向。由于系統(tǒng)的發(fā)光裝置40和60、狹縫控光裝置44和64，以及紅外位置敏感探測(cè)器42、62中的一個(gè)元件被布置成可相對(duì)其它元件運(yùn)動(dòng)，因而測(cè)量單元可探測(cè)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置。
在此第二個(gè)裝置中，狹縫控光裝置44、64可相對(duì)于位置敏感探測(cè)器42、62和發(fā)光裝置40、60運(yùn)動(dòng)。位置敏感探測(cè)器42、62和紅外線發(fā)光二極管40、60被固定在相應(yīng)的柱形的印刷板80、80’上。這里，具有水平狹縫的狹縫控光裝置64被組成一個(gè)多角形環(huán)65，該多角形環(huán)65例如被成型為注模件，且被放置在印刷板80的內(nèi)部空間IR中。具有垂直狹縫的狹縫控光裝置44以同樣的形式被組合成一個(gè)多角形環(huán)，該多角形環(huán)被成型為注模件，而且被安裝在柱形表面各自的內(nèi)部空間IR內(nèi)，其中柱形表面分別由印刷板80和印刷板80’所限定。
為了依靠上述的裝置來(lái)構(gòu)造一種力和/或力矩感應(yīng)器，采用與圖1和圖2所示實(shí)施例相同的形式，在此裝置中提供相互彈性連接并且可彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的第一板和第二板。為了易于理解，圖3并沒(méi)有表示出上述的兩板。第一板可以是牢固焊接有印刷板零件的印刷板P1，所述印刷板零件帶有紅外線發(fā)光二極管40、60和紅外位置敏感探測(cè)器42、62。如有需要，第一板還可進(jìn)一步帶有電氣元件。通過(guò)焊接、插接、粘、融焊或者注射的方法，使狹縫控光裝置44、64與第二板固連。插入第二板上的相應(yīng)孔中的環(huán)形注模件上的銷(xiāo)子69僅作為一個(gè)示例。
螺旋彈簧122用作實(shí)現(xiàn)第一板120和第二板的彈性連接的彈簧裝置。螺旋彈簧122的一端被焊接到第一板，而另外一端被焊接到第二板上。三個(gè)螺旋彈簧被提供給兩個(gè)印刷版P1、P2中的每一個(gè)，上述彈簧被旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地安裝，也就是說(shuō)在各種情形下都分別設(shè)置在印刷板80、80’外部的附近，且位于紅外線發(fā)光二極管40、60的附近。
第二板與圖3所示的整個(gè)裝置的兩個(gè)組件的旋轉(zhuǎn)彈簧相連接，并且也與兩個(gè)組件的狹縫控光裝置44、64相連接。因此可探測(cè)并估算出第二板(圖3未示出)相對(duì)于印刷板P1、P2的力、力矩、位移，或者旋轉(zhuǎn)，印刷板P1和P2作用于第二板?？偟恼f(shuō)來(lái)，圖3所示的全部裝置準(zhǔn)確地作為圖1和圖2的實(shí)施例來(lái)應(yīng)用；其僅具有一個(gè)比較平的構(gòu)造。
為了限制兩板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置，提供止動(dòng)裝置，它們對(duì)應(yīng)于圖1和圖2所示的三個(gè)止動(dòng)裝置。其功能及設(shè)計(jì)可與圖1和圖2中的止動(dòng)裝置的功能及設(shè)計(jì)完全相同。因此，無(wú)需重復(fù)詳述。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置，其包括至少四個(gè)光電元件(40、42、60、62)，其中，將這些光電元件布置在至少一個(gè)第一平面和至少一個(gè)不同于第一平面的第二平面中，使得至少三個(gè)光電元件被布置在第一平面中且至少一個(gè)光電元件被布置在第二平面中，所述兩平面彼此基本平行。
2.一種用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置，其包括至少四個(gè)光電元件(40、42、60、62)，其中，將這些光電元件布置在至少一個(gè)第一表面上和至少一個(gè)第二表面上，使得至少三個(gè)光電元件被布置在第一表面上且至少一個(gè)光電元件被布置在第二表面上，并且兩表面彼此并排設(shè)置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光電裝置，其特征在于至少四個(gè)光電元件中的每個(gè)元件或者是一個(gè)位置敏感探測(cè)器(42、62)，或者是一個(gè)發(fā)光裝置(40、60)，且每個(gè)位置敏感探測(cè)器(42、62)被一個(gè)發(fā)光裝置(40、60)照亮，以形成一個(gè)測(cè)量單元。
4.如權(quán)利要求2或3所述的光電裝置，其特征在于一個(gè)發(fā)光裝置(40、60)正好照亮一個(gè)位置敏感探測(cè)器(42、62)，以形成一個(gè)測(cè)量單元。
5.如權(quán)利要求3或4所述的光電裝置，其特征在于一個(gè)發(fā)光裝置(40、60)照亮至少兩個(gè)位置敏感探測(cè)器(42、62)，以形成具有共同發(fā)光裝置(40、60)的兩個(gè)測(cè)量單元。
6.如權(quán)利要求3至5中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于將該發(fā)光裝置(40、60)布置在一個(gè)封閉的、假想的且在每一位置都是平面的或者凸面的第一表面上，使得其各自的發(fā)射方向均指向由第一表面限定的第一內(nèi)部空間之內(nèi)。
7.如權(quán)利要求3至6中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于將位置敏感探測(cè)器(42、62)布置在一個(gè)封閉的、假想的且在每一位置都是平面的或者凸面的第一表面上，使得其各自的感光側(cè)指向由第二表面限定的第二內(nèi)部空間，并且使得第一內(nèi)部空間和第二內(nèi)部空間彼此部分重合或者完全重合。
8.如權(quán)利要求3至7中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于該光電裝置包括至少六個(gè)用來(lái)測(cè)量六個(gè)自由度的位置敏感探測(cè)器(42、62)，并且每個(gè)平面正好包括三個(gè)位置敏感探測(cè)器(42、62)。
9.如權(quán)利要求3至8中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于位置敏感探測(cè)器(42、62)以角距離基本相等的方式彼此相對(duì)定位，從而圍繞基本垂直于一個(gè)平面延伸的軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，所述平面上布置有位置敏感探測(cè)器(42、62)。
10.如權(quán)利要求3至9中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于該裝置至少還包括另外一個(gè)具有光電元件的平面。
11.如權(quán)利要求3至10中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于上下成對(duì)地布置第一平面上的發(fā)光裝置(40)和第二平面上的發(fā)光裝置(60)，并且優(yōu)選上下成對(duì)地布置第一平面上的位置敏感探測(cè)器(42)和第二平面上的位置敏感探測(cè)器(62)，使得兩個(gè)發(fā)光裝置(40、60)和兩個(gè)位置敏感探測(cè)器(42、62)的垂直投影分別在兩平面之一上基本重合。
12.如權(quán)利要求3至11中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于每對(duì)疊置的位置敏感探測(cè)器(42、62)都包括一個(gè)用來(lái)探測(cè)基本垂直于第一或第二平面的運(yùn)動(dòng)的位置敏感探測(cè)器(42)，和一個(gè)用來(lái)探測(cè)基本上位于第一或者第二平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)的位置敏感探測(cè)器(62)。
13.如權(quán)利要求3至12中任何一項(xiàng)所述的光電裝置，其特征在于測(cè)量單元進(jìn)一步包括一個(gè)狹縫控光裝置(44、64)，該裝置被布置在發(fā)光裝置的光路上，且位于發(fā)光裝置(40、60)和位置敏感探測(cè)器(42、62)之間，位置敏感探測(cè)器(42、62)的探測(cè)軸線被布置成基本上與狹縫控光裝置(44、64)的狹縫方向垂直，且由發(fā)光裝置(40、60)、狹縫控光裝置和檢測(cè)器(42，62)組成的系統(tǒng)中的任一元件可相對(duì)于其它兩元件運(yùn)動(dòng)。
14.如權(quán)利要求13所述的光電裝置，其特征在于在每個(gè)測(cè)量單元中，狹縫控光裝置(44、64)可相對(duì)于位置敏感探測(cè)器(42、62)和發(fā)光裝置(40、60)運(yùn)動(dòng)。
15.如權(quán)利要求13或14所述的光電裝置，其特征在于在一個(gè)柱形的印刷板上安裝有位置敏感探測(cè)器(42、62)和/或發(fā)光裝置(40、60)。
16.一種具有第一板和第二板的力和/或力矩感應(yīng)器，其中第一板(120)和第二板(140)彼此彈性連接且可相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其特征由根據(jù)權(quán)利要求2至15中的任何一項(xiàng)的用于探測(cè)兩物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置確定。
17.如權(quán)利要求16所述的力和/力矩感應(yīng)器，其特征在于第一板和第二板(120、140)經(jīng)由至少一個(gè)彈簧和/或阻尼裝置(122)而彼此連接。
18.如權(quán)利要求16或17所述的力和/或力矩感應(yīng)器，其特征在于至少一個(gè)彈簧和/或阻尼裝置(122)包括下列元件之一或其組合螺旋彈簧、彈簧組件、彈性體、注模樹(shù)脂。
19.如權(quán)利要求17或18所述的力和/或力矩感應(yīng)器，其特征在于彈簧和/或阻尼裝置(122)基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地布置。
20.如權(quán)利要求17至19中的任何一項(xiàng)所述的力和/或力矩感應(yīng)器，其特征在于彈簧和/或阻尼裝置(122)中的至少一個(gè)包括至少一個(gè)通過(guò)焊接與第一板和第二板(120、140)固連的螺旋彈簧。
21.如權(quán)利要求16至20中的任何一項(xiàng)所述的力和/力矩感應(yīng)器，其特征在于至少一個(gè)止動(dòng)裝置(124)限制第一板相對(duì)于第二板的運(yùn)動(dòng)。
22.一種個(gè)人計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)，其特征在于其包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求15至21的任何一項(xiàng)所述的力和/或力矩感應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來(lái)探測(cè)兩物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)位置的光電裝置，該裝置包括至少四個(gè)光電元件，將這些光電元件布置在至少一個(gè)第一平面和至少一個(gè)不同于第一平面的第二平面中，使得至少三個(gè)光電元件被布置在第一平面中且至少一個(gè)光電元件被布置在第二平面中。本發(fā)明還涉及一種設(shè)置有這種光電裝置的、具有第一板和第二板的力和/或力矩感應(yīng)器，第一板和第二板彼此彈性連接且可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明最后涉及一種設(shè)置有這種力和/或力矩感應(yīng)器的個(gè)人計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)。
文檔編號(hào)G06F3/033GK1589392SQ02822938
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
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