Vorrichtung zum Erfassen von Bewegungen und Kräften

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Bewegungen und Kräften.

2. Der Stand der Technik Als Anordnungen zum Erfassen von Relativbewegungen oder Relativpositionen zweier Objekte in Kraft- und/oder Momentensensoren haben sich Anordnungen mit optoelektronischen Messzellen weitgehend durchgesetzt. Der Grund ist der einfache Aufbau verbunden mit einer hohen Präzision und Zuverlässigkeit.

DE 36 11 337 Al offenbart eine in einer Kunststoffkugel untergebrachte optoelektronische Anordnung, die gleichzeitig sechs Komponenten, nämlich Verschiebungen entlang dreier Achsen und Winkeldrehungen um drei Achsen, erfassen kann. Zu diesem Zweck 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 ver-

bunden werden kann. Die positionsempfindlichen Detektoren werden mit dem zweiten Objekt verbunden.

Nachteilig ist jedoch, dass die Anordnung eine relativ große Fläche beansprucht. Ursache ist die relativ große räumliche Ausdehnung der Blenden und Detektoren, die ringförmig um die Lichtemissionseinrichtungen angeordnet sind. Hierdurch sind einer Miniaturisierung der Anordnung Grenzen gesetzt. Eine Miniaturisierung würde den Einbau z. B. in Spielkonsolen, PC-Tastaturen oder Notebook- Computern erlauben und dadurch eine breite Marktdurchdringung ermöglichen.

Weitere Dokumente, die den technischen Hintergrund für die Erfindung zeigen, sind die DE 10 15 87 75 Al, DE 10 15 87 76 Al, und die DE 10 15 87 77 Al.

Eine Miniaturisierung stellt allerdings erhöht Anforderungen an den Herstel- lungsprozess solcher optoelektronischer Anordnungen. Zum Beispiel ist es häufig notwendig, die positionsempfindlichen Detektoren nach der Montage zu justieren. Diese Justierung wird aber umso schwieriger, je kleiner die Anordnung ist. Und aus Kostengründen ist es ohnehin wünschenswert, ganz auf die Justierung zu verzichten.

Es ist daher das Problem der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die Erfassung von Bewegungen und Kräften anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere eine kleine Bauform ermöglicht, die einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

3. Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird dieses Problem gelöst durch eine Vorrichtung zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften mit min- destens eine Lichtquelle, mindestens einen positionsempfindlichen Detektor (Position Sensitive Device, PSD) und mindestens einer Blende, wobei mindestens

eines der drei Elemente gegenüber den beiden anderen Elementen beweglich ist. Insbesondere ist die Lichtquelle so an einer Halterung angeordnet ist, dass Licht aus der Lichtquelle durch eine Aussparung in der Halterung und durch die mindestens eine Blende auf den mindestens einen PSD fällt.

In der bekannten optoelektronischen Messvorrichtung ist eine Lichtemissionsdiode (LED) auf einer Seite einer Platine angebracht und strahlt ihr Licht auf dieser Seite der Platine aus. Die Ausdehnung dieser Messvorrichtung wird dabei wesentlich durch die Strecke zwischen der Platine mit der LED und dem PSD bestimmt. Eine einfache Umkehr der Anordnung erlaubt nun eine wesentlich kompaktere Bauweise: Indem eine Lichtquelle ihr Licht durch eine Aussparung in einer Halterung, also genau entgegengesetzt der herkömmlichen Richtung, ausstrahlt, wird Platz gewonnen, da die Halterung der Lichtquelle in den Raum zwischen der Lichtquelle und dem PSD verlagert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung mehrere Halterungen auf, die so angeordnet sind, dass sie einen Innenbereich abgrenzen. Dabei befinden sich die Lichtquellen in dem Innenbereich und die PSD außerhalb des Innenbereichs.

Indem die Halterungen der Lichtquellen einen Innenbereich abgrenzen, wird ein kompaktes Zentrum gebildet. Anders als im Stand der Technik, wo sperrige Halterungen oder Platinen das Zentrum bilden, befinden sich in dem Innenbereich kompakte Lichtquellen, so dass weniger Platz benötigt wird. Da jede Lichtquelle ihr Licht durch eine Aussparung in der Halterung abstrahlt, wirkt die Aussparung wie eine Abblendung und bietet daher gleichzeitig Schutz gegen Streulicht der Lichtquelle auf solche PSDs, die der Lichtquelle nicht zugeordnet sind.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Halterung aus einer Platine und die Lichtquel- Ie aus einer Lichtemissionsdiode (LED) gebildet wird, und wobei die LED direkt über einem Loch in der Platine angeordnet ist, so dass die LED ihr Licht durch

das Loch abstrahlt. Die Verwendung dieser Komponenten erlaubt eine besonders einfache Aufbautechnik, bei der eine simple Bohrung in einer Platine die das Licht leitende Aussparung oder Abblendung bildet.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung sechs Halterungen aufweist, die 2Oi einem Sechseck angeordnet sind. Damit kann eine Vorrichtung zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften gebildet werden, die Verschiebungen entlang von drei Achsen und Winkeldrehungen um drei Achsen erfassen kann. Die sechseckige Anordnung gewährleistet gleichzeitig eine möglichst kom- pakte Form des Innenbereichs.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Halterungen aus mindestens einer Platine gebildet und sind durch eine Schicht der Platine beweglich verbunden. Dies trägt zu einer weiteren Vereinfachung des Aufbaus der Vorrichtung bei, da mehrere Halterungen nicht separat, sondern aus einer einzigen Platine hergestellt werden können.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Blende, durch die Licht aus der Lichtquelle auf den PSD fällt, eine Schlitzblende. Alternativ dazu kann die Blende eine Punktblende sein. Beide Varianten haben jeweils Vorteile: Die Messung von Positionen mit Hilfe von Schlitzblenden ist ein einfaches und robustes Verfahren. Mit Hilfe einer Punktblende kann die Position eines Punktes in zwei Dimensionen auf dem PSD erfasst werden, so dass die Messvorrichtung weniger Komponenten erfordert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften weiterhin einen Träger mit einem Langloch zur Aufnahme eines Vorsprungs eines PSD-Halters sowie einen Anschlag auf. Der Anschlag ist so angeordnet, dass er eine Bewegung des PSD- Halters entlang des Langlochs verhindert.

In dieser Ausfuhrungsform wird insbesondere das Problem gelöst, einen PSD nach seiner Montage auf einem Träger justieren zu müssen. Dieses Problem entsteht, wenn ein PSD-Halter mit einem Vorsprung in einem Langloch des Trägers fixiert wird. Da Langlöcher aufgrund der verwendeten kreisförmigen Werkzeuge an ihren Enden rund sind, kann der PSD-Halter in der Hauptrichtung des Langlochs nicht genau positioniert werden. Die Erfindung löst dieses Problem gemäß einem Aspekt durch einen Anschlag an dem Träger, der eine Bewegung des PSD- Halters entlang des Langlochs verhindert. Dadurch entfallt die Notwendigkeit, den PSD nach der Montage zu justieren, was die Herstellung wesentlich verein- facht und auch Voraussetzung für eine Miniaturisierung der Vorrichtung ist.

In bevorzugten Ausfuhrungsformen wird der Anschlag durch eine Aussparung in dem Träger gebildet, die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Langloch erstreckt. Weiterhin kann die Aussparung durch eine Einbuchtung am Rand des Trägers gebildet werden. Bevorzugt ist es auch, dass der PSD-Halter einen Zapfen aufweist, so dass der Zapfen in die Aussparung eingreift.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in weiteren abhängigen Patentansprüchen beschrieben.

4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der folgenden detaillierten Beschreibung werden gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben:

Fig. 1 : zeigt eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften gemäß der Erfindung;

Fig. 2: zeigt eine Ansicht einer Lichtquelle gemäß der Erfindung;

Fig. 3: zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Lichtquellen gemäß der Erfindung;

Fig. 4: zeigt eine Aufsicht eines Teils eines Trägers der Vorrichtung mit einer Seitenansicht eines Teils eines PSD-Halters; und

Fig. 5: zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Lichtquelle aus Fig. 2.

5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Im Folgenden werden gegenwärtig bevorzugte Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Erfindung auch in anderen Bereichen, zum Beispiel zum Messen von Beschleunigungen, eingesetzt werden kann.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung 1 zur Eingabe von Bewegungen und/oder Erfassung von Kräften, die im Folgenden auch als 3D- Messsystem 1 bezeichnet wird.

Wie man in Fig. 1 erkennt, besteht ein Basismesssystem 2 des 3D-Messsystems 1 aus einer lichtemittierenden Diode (LED) 11, einer Schlitzblende 21 und einem linearen positionsempfindlichen Detektor (Position Sensitive Device, PSD) 31. Sechs solcher Basismeßsysteme 2 sind - jeweils um 60 Grad versetzt - in einer Ebene angeordnet, wobei die Schlitzblenden 20, 21 und die PSDs 30, 31 alternierend zueinander um 90 Grad gedreht sind, also parallel oder senkrecht zu dieser Ebene liegen. Mit anderen Worten, benachbarte Schlitzblenden 20, 21 sind zueinander senkrecht, benachbarte PSDs 30, 31 sind zueinander senkrecht, und auch die Schlitzblende 21 und ihr außen gegenüberliegender PSD 31 sind zueinander senkrecht.

Der innere Zylinder 12 in Fig. 1 symbolisiert eine Anordnung von sechs LEDs 10, 11 , die im Folgenden genauer beschrieben wird. Die sechs LEDs 10, 11 beleuchten direkt sechs beweglich angeordnete Schlitzblenden 20, 21, die auf dem Blen- denring 22, d.h. dem zweiten Zylinder von innen, angeordnet sind. Die Schlitzblenden 20, 21 sind mit einer Steuerkappe oder Steuerkugel (nicht dargestellt) verbunden, wodurch die eingeleiteten Kräfte und Momente direkt auf die beweglichen Schlitzblenden 20, 21 übertragen werden. Da die LEDs 10, 11 und PSDs 30, 31 fest mit der Vorrichtung 1 verbunden sind, werden die von den Schlitz- blenden 20. 21 ausgehenden Lichtstriche 50, 51 von PSDs 30, 31 auf dem äußeren Zylinder 32 detektiert.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, können durch die symmetrische Anordnung der Basismeßsysteme 2 räumliche Auslenkungen in x, y und z-Richtung und die kor- respondierenden Rotationen Dx, Dy und Dz erfasst werden. Diese Auslenkungen werden dann durch die PSDs 30, 31 in elektrische Spannungen umgewandelt, dann in Ortskoordinaten transformiert und über eine Schnittstelle ausgegeben.

Durch seinen Aufbau arbeitet das 3 D-Messsystem 1 unbeeinflusst von Tempera- tur, Alterung, Verschmutzung und Bauteiletoleranzen und ist damit hervorragend für industrielle Anwendungen geeignet. Das komplette 3D-Messsystem 1 wurde so optimiert, dass es inklusive analoger Signalaufbereitung, Analog-Digital- Wandlung, Rechnerauswertung und Spannungs Versorgung auf eine Seite einer kleinen SMD-Platine passt.

In einer alternativen Ausführungsform sitzt der Ring 32 mit den PSDs 30, 31 auf der Innenseite der Steuerkappe/Steuerkugel (nicht dargestellt), die über Spiralfedern mit dem 3D-Messsystem 1 verbunden ist.

Da die Meßgrößen in der Position der ausgelenkten Lichtstriche 50, 51 und nicht in der an den PSDs 30, 31 ankommenden Intensität stecken, ist das Messprinzip

gegen Intensitätsschwankungen, z.B. durch Alterung der LEDs 10, 11, völlig unempfindlich. Die Umrechnungsmatrix zwischen den Spannungen der PSDs 30, 31 und den durch Kräfte bzw. Momente erzeugten Verschiebungen bzw. Verdrehungen erfordert keine Eichung.

Als PSD 30, 31 wird vorzugsweise eine Lateraleffektdiode verwendet, deren Vorteile ihre Einfachheit (direkte Detektion des Schwerpunkts des einfallenden Lichts und daher eine geringe Datenmenge), die große nutzbare Sensorfläche und die sehr kurze Ansprechzeit sind. Der auftreffender Lichtstrahl erzeugt auf dem PSD 30, 31 einen Photostrom (Ansprechzeit < 3 μs), der in zwei zueinander orthogonalen Richtungen gemessen wird. Die Position des Lichtpunktes wird aus den einzelnen Photoströmen berechnet. Das gewünschte Lagesignal lässt sich durch eine Differenzbildung (Ul - U2) der beiden Spannungen Ul und U2 bestimmen, die zu den Ausgangsströmen Il und 12 der PSDs 30, 31 proportional sind. Die genaue Relativposition ist somit (Ul - U2)/(U1+U2).

Prinzipiell ist die Größe der Lichtpunkte oder Lichtstriche 50, 51 auf den PSDs 30, 31 bedeutungslos, da nur dessen Schwerpunkt detektiert wird. Es ist jedoch ein kleiner Lichtpunkt anzustreben, damit die ganze Fläche des PSDs 30, 31 zur Messung genutzt werden kann. Eine entsprechende fokussierbare Optik (LED Linsenkopf) ist daher von Vorteil. Bei der Regelung der Lichtintensität ist darauf zu achten, dass noch genügend Intensität zur Erzeugung der Photoströme vorhanden ist. Ist die Intensität zu klein, kann das Signal vom Rauschen schlecht getrennt werden; ist sie zu groß, kommt es zu Sättigungseffekten, die die Position verfälschen.

In einer alternativen Ausführungsform wird statt der Schlitzblenden 20, 21 eine

Punktblende (nicht dargestellt) verwendet. Damit lässt sich auf einem PSD 30, 31 statt der eindimensionalen Auslenkung der Schlitzblende 20, 21 eine zweidimen- sionale Position der Punkblende erfassen. Auf diese Weise kann das 3D-

Messystem 1 durch eine geringere Anzahl von Basismeßsystemen 2 realisiert werden.

In weiteren alternativen Ausführungsformen weist das 3 D-Messsystem 1 weniger als sechs Basismesssysteme 2 auf, um eine geringere Anzahl von Freiheitsgraden zu erfassen.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer Lichtquelle 10 gemäß der Erfindung. Man erkennt darin die Lichtquelle 10 mit Zuleitungen 13, die auf einer Halterung 14 angeord- net sind. Die Lichtquelle 10 strahlt ihr Licht jedoch nicht nach oben ab, sondern sie ist nach unten gebogen und sendet ihr Licht durch eine Aussparung 15 in der Halterung 14 aus. Bevorzugt ist die Aussparung 15 ein Kreis, der etwas kleiner als ein horizontaler Durchmesser der LED 10 ist. Besonders bevorzugt, da einfach herzustellen, wird diese Anordnung durch eine LED 10 auf einer Platine 14 reali- siert, in die ein Loch 15 gebohrt wird.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Lichtquellen 10 gemäß der Erfindung, in der lediglich Lichtquellen 10 und Halterungen 14 mit Aussparungen 15 dargestellt sind. Diese Anordnung bildet eine bevorzugte Aus- führungsform des inneren Zylinders 12 aus Fig. 1. Wie zu erkennen, sind die Halterungen 14 so angeordnet, dass sie einen Innenbereich 16 begrenzen, so dass die Lichtquellen 10 sich in dem Innenbereich 16 befinden. Bevorzugt werden sechs Halterungen 14 zu einem Sechseck angeordnet und besonders bevorzugt, wie in Fig. 3 dargestellt, zu einem regelmäßigen Sechseck.

In Fig. 3 wird insbesondere deutlich, dass die Anordnung der Lichtquelle 10, die in Fig. 2 dargestellt ist, zu einer besonders kleinen Bauform des 3 D-Messsystems 1 aus Fig. 1 führt. Diese Anordnung erlaubt es nämlich, die Lichtquellen 10 wesentlich näher zusammenzurücken, als wenn sie sich in der üblichen Weise außer- halb des Innenbereichs 16 befinden. Da die Ausdehnung des 3 D-Messsystems 1

von der Entfernung der Lichtquelle 11 zu dem PSD 31 bestimmt wird (siehe Fig. 1), ist damit eine wesentlich kleinere Bauform möglich.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung aus Fig. 3 ist ein Schutz gegen Streulicht. Da jede Lichtquelle 10 ihr Licht durch eine Aussparung 15 in der Halterung 14 abstrahlt, wirkt die Aussparung 15 wie eine Abblendung und bietet daher Schutz gegen Streulicht der Lichtquelle 10 auf solche PSDs, die ihr nicht zugeordnet sind, zum Beispiel den PSD 31 in Fig. 1. Zum Schutz gegen Streulicht trägt auch bei, dass die Halterungen 14 eine geschlossene Fläche bilden.

In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) werden vier Halterungen 14 zu einem Viereck und bevorzugt zu einem Quadrat angeordnet. Damit ist es möglich, räumliche Auslenkungen in zwei Richtungen und die korrespondierenden zwei Rotationen zu erfassen.

In einer bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) werden mehrere Halterungen aus einer Platine gebildet und sind durch eine Schicht der Platine beweglich verbunden. Dies trägt zu einer weiteren Vereinfachung des Aufbaus der Vorrichtung bei, da mehrere Halterungen nicht separat, sondern aus einer einzigen Platine hergestellt werden können. Gleichzeitig ist es nicht erforderlich, die einzelnen Halterungen untereinander zu verbinden, da die Halterungen durch eine Schicht der Platine, zum Beispiel eine schon vorhandene Kupferfolie auf der Außenseite der Platine, beweglich miteinander verbunden sind. Dies kann erreicht werden, indem die Platine nur teilweise, bis auf die Kupferfolie, in die einzelnen Halterungen getrennt wird. Die Verbindung der Halterungen untereinander erhöht die Stabilität des Aufbaus, erleichtert die Montage und verhindert außerdem, dass Streulicht aus dem Innenbereich 16 nach außen dringt (vgl. Fig. 3).

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht eines Teils eines Trägers 40 des 3 D-Messsystems 1, zusammen mit einer Seitenansicht eines Teils eines PSD-Halters 33. In einer Ausführungsform dient der Träger 40 zur Fixierung des mindestens einen PSD-

Halters 33, auf dem der PSD (nicht dargestellt) befestigt ist. Wie zu erkennen, wird der PSD-Halter 33 durch einen Vorsprung 34 in einem Langloch 41 des Trägers 40 fixiert, so dass er im Wesentlichen senkrecht auf dem Träger 40 angeordnet ist.

Wie weiterhin in Fig. 4 zu erkennen, weist der der Träger 40 einen Anschlag 42 auf, der eine Bewegung des PSD-Halters entlang des Langlochs 41 verhindert. Bevorzugt wird der Anschlag 42 durch eine Aussparung 42 in dem Träger 40 gebildet, die sich senkrecht zu dem Langloch 41 erstreckt. Besonders bevorzugt ist die Aussparung 42 eine Einbuchtung 42 am Rand des Trägers 40. Dies erleichtert die Herstellung des Anschlags 42.

Der Anschlag 42 dient zur Aufnahme eines Zapfens 35 des PSD-Halters 33, der die Bewegung des PSD-Halters 33 entlang des Langlochs 41 verhindert und damit eine exakte Positionierung des PSD-Halters 33 ermöglicht.

In dieser Ausführungsform wird insbesondere das im Stand der Technik häufige Problem gelöst, einen PSD nach seiner Montage auf einem Träger justieren zu müssen. Da Langlöcher 41 aufgrund der verwendeten kreisförmigen Werkzeuge abgerundete Enden 43 haben, kann der PSD-Halter 33 in der Hauptrichtung des Langlochs 41 nicht genau positioniert werden. Indem die Bewegung des PSD- Halters durch die oben beschriebene Anordnung exakt positioniert wird, entfällt die Notwendigkeit, den PSD nach der Montage zu justieren. Dies vereinfacht die Herstellung des 3D-Messsystems 1 wesentlich und ist auch eine Voraussetzung für dessen Miniaturisierung.

In bevorzugten Ausführungsformen wird der Anschlag 42 durch eine Aussparung 42 in dem Träger 40 gebildet, die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Langloch 41 erstreckt. Dies erlaubt eine besonders präzise Positionierung des PSD- Halters 33 auf dem Träger 40. Weiterhin kann die Aussparung 42 durch eine Ein-

buchtung 42 am Rand des Trägers 40 gebildet werden, wie in Fig. 4 zu erkennen, was wiederum besonders einfach herzustellen ist.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Lichtquelle aus Fig. 2. Man erkennt darin wiederum die Lichtquelle 10 mit Zuleitungen 13, die auf einer HaI- terung 14 angeordnet sind. Die Lichtquelle 10 sendet ihr Licht durch eine Aussparung 15 in der Halterung 14 aus. Bevorzugt handelt es sich bei der Halterung 14 um eine Platine. Wie in Fig. 5 zu erkennen, ragt die Lichtquelle 10 mit der Seite, mit der sie Licht aussendet, geringfügig über die Halterung 14 hinaus. Bevorzugt ist es, wenn die Halterung 14 eine Platine mit einer Dicke von 1 mm ist und die Lichtquelle 10 0,2 mm über diese Platine hinausragt.