用于确定两个对象的相对运动或相对位置的光电子装置的制作方法

专利名称：用于确定两个对象的相对运动或相对位置的光电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定两个对象的相对运动或相对位置的光电子 装置。本发明还涉及一种结合有这种光电子装置的力传感器和/或力矩传 感器。
背景技术：
对于计算机使用者来说，能够在计算机环境中控制和实施二维及三 维运动或移动变得越来越重要。这一般通过计算机外围装置来实现。二
维或三维移动由外围装置检测，并被描述为空间中的平移(X， Y， Z) 和/或转动(A， B， C)。而且，这种移动可用于确定相应施加的力和/或 力矩。
近来开发的上述类型的尤其是用于办公部门和娱乐电子部门的计算 机外围装置，使用光电子装置检测和描述二维或三维空间中的移动。在 这里它们起到能够输入多达六个自由度的操作的输入装置的作用，相比 之下，操纵杆、鼠标或跟踪球通常只能允许两个自由度的输入。对于控 制3D设计软件和复杂的计算机游戏来说，这种由包括光电子装置的力传 感器和/或力矩传感器所能够实现的简单、方便的六分量输入是尤其需要 的。
为此，该光电子装置一般包括用于测量多个(即多达六个)自由度 的移动的一个或多个测量单元(cell)，该测量单元包括由例如发光二极 管(LED)的发光元件照明的位置敏感检测器。从美国专利申请公开No. 2003/102422 Al和美国专利申请公开No. 2003/103217 Al公知了这种装 置的实施例。
这样，从上述现有技术出发，本发明所基于的目的是相比于公知的 结构创造一种更紧凑、更有效且更容易组装的装置设计。就是说，该装置的设计优选更加灵活并且所需区域应更小。而且，该装置的设计应该 使生产更加经济且应提供更加可靠的操作。因此，该设计可以实现为创 造一种用在办公室或娱乐部门中的输入装置，或允许多达六个自由度的 简单输入的力传感器/力矩传感器。

发明内容
为了实现上述目的，本发明提供一种如在权利要求l、 3或5中限定 的用于光电子装置的光屏蔽件，以及如在权利要求16中限定的结合有这 种光屏蔽件的光电子装置。在从属权利要求中叙述了本发明的优选特征。 本发明还提供一种结合有如权利要求所述的光电子装置的力传感器和/ 或力矩传感器。优选的是，该力传感器被用作用于图像处理及其它类似 办公室应用的平移/缩放(pan/zoom)传感器。本发明还提供一种结合有 如权利要求所述的光电子装置的用于个人计算机的键盘。
本发明的结构和进一步的开发
根据一个方面，本发明提供一种用于光电子装置的光屏蔽件，该光 电子装置用于确定两个对象的相对运动或相对位置，其中该光屏蔽件包 括多个通道，每个通道在所述光电子装置的发光元件和检测器之间形成 用于光束的路径，且其中至少两个所述通道限定来自所述发光元件的彼 此会聚的光束路径。该多个光路通道可以设置成至少两个通道为一组的 一个或多个组，以使得它们限定了适于朝向公共检测器会聚的分开的光 路。
根据另一个方面，本发明提供一种用于光电子装置的光屏蔽件，该 光电子装置用于确定第二对象相对于第一对象的位置或运动，其中该光 屏蔽件包括多个通道，这些通道一起在所述光电子装置的所述第一和第 二对象之间限定了光束路径的非平面或三维阵列。所述多个通道可以设 置成使得由所述通道限定的所述光路在所述第一和第二对象之间的分开 平面中、且优选地在彼此交叉的平面中延伸。即，单独的光路通道适于 以三维方式在所述光电子装置的所述第一和第二对象之间引导或导向 光。光屏蔽件可以适于安装在所述光电子装置的两个对象的任一个上。根据另一方面，本发明提供一种用于光电子装置的光屏蔽件，该光 电子装置用于确定第二对象相对于第一对象的位置或运动，所述第二对 象大致是平坦的且相对于所述第一对象大致平行隔开地安装，其中，该 光屏蔽件适于安装在所述第一对象和所述第二对象之间，并包括多个通 道，各通道形成了用于在所述光电子装置的所述第一对象和所述第二对 象之间导向或引导光束的路径。所述通道被构造成在所述第一和第二对 象之间延伸，且如上所述，该光屏蔽件可以适于安装在所述光电子装置 的两个对象的任一个上。
在另一方面中，本发明提供一种用于确定两个对象的相对运动或相 对位置的光电子装置，该光电子装置包括
第一对象，该第一对象相对于所述装置的框架固定；
第二对象，该第二对象相对于所述第一对象隔开安装并适于相对于 所述第一对象运动；
用于确定所述第二对象相对于所述第一对象的运动或移动的多个测 量单元，其中每个测量单元均优选地包括发光元件和用于检测来自该发
光元件的光的检测器；以及
设在所述第一对象和所述第二对象之间的如上所述的本发明的光屏 蔽件，其中所述光屏蔽件的各光路通道延伸的距离是其中一个所述测量 单元的发光元件和检测器之间距离的至少一部分。
在所述光电子装置的优选形式中，所述第一对象和所述第二对象均 包括大致平坦或板状件，其优选大致刚性。所述第二对象从而可以安装 在该装置中，以使其与所述第一对象大致平行且隔开，而所述第一对象 又刚性固定到所述装置的所述框架上。因此，在中性或非偏转位置，所 述第二对象大致平行于所述第一对象设置。所述第一对象的平面因此可 以考虑为形成用于所述装置的基准平面。
在本发明的光电子装置的优选形式中，所述第二对象相对于所述第 一对象弹性安装并被向中性位置弹性施力。在这方面，所述光电子装置 包括弹性安装部件，该弹性安装部件对所述第二对象施力以在该第二对 象运动或移动之后使其返回到中性位置。该弹性安装部件优选包括弹簧部件，且可包括一个或多个螺旋弹簧或任何其它合适的弹性件。
在优选的方式中，所述光电子装置包括至少两个测量单元，且优选
包括三到六个测量单元。所述发光元件优选为发光二极管(LED),且更 优选为红外发光二极管(ILED)。该检测器优选为位置敏感检测器(PSD)， 且更优选为位置敏感红外检测器(PSID)。
在本发明的优选形式中，所述光屏蔽件呈具有形成了所述光路通道 的空腔或管道的壳体形式。即，所述光路通道一般由所述光屏蔽件的壁 部形成，且各通道至少部分地环绕或包围所述光路以限定一空腔，光可 沿着所述空腔在所述光电子装置的发光元件和检测器之间被引导或导 向。从而，所述通道可以以三维方式将来自所述发光元件的光在所述光 电子装置的第一和第二对象之间引导或导向。该光屏蔽件自身可适于至 少部分地包围或容纳所述光电子装置的发光元件。
在本发明的优选形式中，所述光屏蔽件中的所述光路通道的结构使 得光路在所述第一和第二对象之间的分开的平面、且优选是相互交叉的 平面中延伸。所述光路通道优选地限定光路，所述光路相对于所述装置 的基座基准平面以一角度倾斜。该基准平面可以对应于所述装置的框架 的平面，或对应于所述第一和/或第二对象的平面。所述光屏蔽件的所述 光路通道限定的光路优选相对于所述基准平面以0。到90°之间的角度、 更优选以O。到60°的范围内的角度、更优选以IO。到30°的范围内的 角度倾斜。
在本发明的优选形式中，所述光屏蔽件具有一体结构。例如，所述 光屏蔽件可以在模制操作中优选由聚合物塑料材料制成为一体或整体组 件。所述光屏蔽件的材料一般是非透明的、且优选是不透明的，以确保 不需要的或外来的光被排除在所述光电子装置的检测器之外。
本发明的光屏蔽件的其中一个优点是其既提供了非常紧凑构造的光
电子装置，又提供了测量单元朝向的高度灵活性。特别是，限定测量单 元的三维阵列的光屏蔽部件的设计被发现产生了非常紧凑的光电子构
造，其不仅确保将不需要的外来光排除在所述位置敏感检测器之外，而 且能够获得结构较小且更省空间的装置。在本发明的光电子装置的优选形式中，各测量单元还包括设在所述 位置敏感检测器和所述发光元件之间的光路中的狭缝光阑。各测量单元 的所述检测器、所述发光元件和所述狭缝光阑中的至少一个与所述第一 对象相关并相对于所述装置的所述框架固定，且各测量单元的所述检测 器、所述发光元件和所述狭缝光阑中的至少另一个与所述第二对象相关 且可与所述第二对象一起运动。
从而，在本发明的优选形式中，所述光屏蔽件结合有一个或多个狭 缝光阑。具体地说，狭缝光阑优选设在形成于所述光屏蔽件中的各所述 光路通道中或与各所述光路通道相关。特别的是， 一个或多个狭缝光阑 可结合在包围所述通道的所述光屏蔽件的所述壁部中。由所述光屏蔽件 壳体限定的所述光路通道优选在各发光元件及其相关的狭缝光阑之间延 伸。该壳体由此适于将各位置敏感检测器与外来的或不需要的光屏蔽开。
在本发明的优选形式中，所述光屏蔽件包括具有至少三个侧边区域 的部件，沿着各侧边区域形成至少一个光路通道。更优选的是，所述光 屏蔽件的各侧边区域包括限定了彼此会聚的光束路径的两个光路通道。 这样，在一个具体方式中，光屏蔽件壳体的各侧边具有两个分开的光路 通道。
在所述光电子装置的优选形式中，至少一个位置敏感检测器由两个 分开的发光元件照明以由此形成具有公共检测器的两个测量单元。在这 种情况下，如上所述，所述光屏蔽件可以限定从所述两个分开的发光元 件延伸并朝向所述公共的位置敏感检测器会聚的分开的光路通道。具有 所述公共检测器的各所述两个测量单元优选地具有设在相应发光元件的 所述光束路径中的分开的狭缝光阑。所述两个狭缝光阑可以彼此相邻(优 选平行)地设在所述光屏蔽件壳体的壁部内。然而，应理解，具有由分 开的发光元件照明的公共位置敏感检测器的两个测量单元可以任选地也 具有设在两个发光元件的光束路径中的单个公共狭缝光阑。
在所述光电子装置的优选形式中，至少其中一个所述狭缝光阑的狭 缝方向大致横向于、例如基本垂直于所述位置敏感检测器的轴线或光敏 部分对齐。通过至少其中一个所述狭缝光阑发射且入射在所述检测器上的光的平面可以相对于所述检测器的光敏部分的平面形成锐角。优选的 是，由多于一个发光元件照明以形成多个测量单元的各位置敏感检测器 交替地(即周期性地)由所述发光元件照明。于是所述检测器的测量值 通过其照明而被同时读出。换句话说，各测量单元的检测器在任何特定 时间仅由一个发光装置照明，且检测器的测量值被设计为与其同时地读 出。
一般地，具有公共位置敏感检测器的所述测量单元设置成使得从发 光装置发出的光束路径交叉且照明所述公共检测器的基本相同的部分；
例如在它们交叉的平面中。
在优选的形式中，本发明的光电子装置包括用于限制所述第二对象 相对于所述第一对象的运动或移动的止动结构。所述止动结构包括适于 相对于所述光电子装置的框架固定的安装部分、以及至少一个大致细长 的止动件，该止动件相对于所述安装部分横向布置且与所述安装部分大 致刚性地连接。
所述止动结构被设计为安装在所述光电子装置中，以提供所述第二 对象相对于所述第一对象超出某一预定限度的运动或移动的物理障碍。 这样该止动结构被设计为防止使用者在正常使用过程中使所述装置意外过载。
在所述止动结构的优选形式中，所述安装部分大致细长并适于在所 述安装部分的一个端部区域处相对于所述光电子装置的所述框架固定。 例如，所述安装部分可以适于通过紧固件(例如螺纹紧固件)或通过粘 结剂固定到所述光电子装置的所述框架上。该至少一个止动件在与所述 安装部分的固定到(或适于固定到)所述框架上的该端部区域隔开的位 置处与所述安装部分大致刚性连接。这样，该至少一个止动件可以在所 述安装部分的与待相对于所述框架固定的端部区域相对的另一个端部区 域处与所述安装部分刚性互连。
在所述止动结构的优选形式中，所述至少一个止动件横向于所述安 装部分布置，以使得所述止动件沿着大致平行于安装部分纵向范围的方 向延伸。在本发明的优选形式中，所述光屏蔽件包括接收所述光电子装置的 所述止动结构或至少一个止动件的空间或空腔。因此限定所述空间或空 腔的所述光屏蔽件的壁部可以适于在达到所述第一对象和所述第二对象 之间的相对运动极限时与所述止动结构或所述至少一个止动件接触。所 述光路通道优选布置在用于接收所述止动结构或所述至少一个止动件的 所述空间或空腔的周围。
根据本发明的3D输入装置可以等同于力传感器和/或力矩传感器。 平移运动(X， Y， Z)对应于力(Fx， Fy， Fz)，旋转运动(A， B， C)对应 于力矩(Mx， My， Mz)。平移/縮放传感器一般对应于力传感器(Fx， Fy， Fz)， 因为平移/縮放传感器可以只捕捉平移运动(X， Y， Z)。
从以下参照附图以实施例方式作出的本发明具体实施方式
的详细描 述将更全面地理解本发明的上述描述。


在以下附图中示出了本发明的实施方式，其中相同的特征被标以相 同的附图标记，在附图中
图1示出了根据本发明的被实施为力传感器/力矩传感器的实施方式 的光电子装置的分解立体图2为图1的光电子装置的组装立体图3为图2的光电子装置的侧剖视图4示出了图1的光电子装置的核心部分的组装立体图5示出了图1的光电子装置的部件的上侧分解立体图6示出了图1的光电子装置的部件的下侧分解立体图7示出了图1的光电子装置的光屏蔽件和第二板件的仰视图8示出了图1的光电子装置的部件的分解立体图9示出了图8的光电子装置的部件的组装立体图IO示出了当第二板件相对于第一板件转动时，图9中的光电子装 置的部件的俯视图11示出了当第二板件相对于第一板件倾斜时，图9中的光电子装
12置的立体图12示出了当第二板件相对于第一板件倾斜时，图9中的光电子装 置的示意侧视图13示出了根据本发明的另一实施方式的光电子装置的分解立体
图14为图13中的光电子装置的组装立体图； 图15为类似于图13中所示的光屏蔽件的立体图； 图16示出了根据本发明的又一实施方式的光电子装置的分解立体 图；并且
图17为图16中的光电子装置的组装立体图。
具体实施例方式
首先参见附图l至4，示出了本发明的光电子装置100的各个部件。 在该实例中，本发明的光电子装置被实施为力传感器/力矩传感器并被设 计为用作输入装置，以允许在3D计算机环境中进行多达六个自由度的简 单的且用户友好的运动输入。
光电子装置100包括框架或基座1和旋钮状帽2，该框架或基座1 在使用过程中一般在桌面或长椅上保持固定，该旋钮状帽2可动地安装在 基座1上并形成输入部件，使用者可通过该输入部件输入将被装置100检 测并解释的运动。特别是，装置100的帽2被设计为由使用者抓握并相 对于基座1操作以产生希望的输入。如可从图1至3中看出的，帽的下 边缘在基座1的周边位于环形凹部3中，并具有充分的间隙以允许帽沿 所有方向在一定程度上运动。这样该装置100被设计为检测并探知或确 定帽2相对于基座1的运动或移动。
为了确定帽和基座的相对运动或位置，光电子装置100包括第二圆 形板件20和相对于装置的基座固定的第一板件10，以及多个用于确定第 一和第二板件之间的相对运动或移动的光电子测量单元，该第二圆形板 件20相对于第一板件10间隔地弹性安装且适于相对于第一板件10运动 或移动。该第一和第二板件IO、 20为基本刚性的板状件，其优选包括印刷电路基板且优选还承载光电子测量单元的至少一些电子构件，例如如
前面提到的US 2003/102422和US 2003/103217中所公知的。在进一步描 述中，第一和第二板件IO、 20将被分别简称为第一板10和第二板20。
如可在图3中所看出的，按钮状帽2在第二板20的外周刚性固定在 第二板20上。g卩，第二板20例如使用接合剂或粘合剂以与形成在帽2 的内表面上的肩部4抵靠的方式固定。另外，第一板10—般通过插入穿 过形成在基座中的安装孔5并穿过形成在第一板10中的相应的螺纹孔11 的螺钉刚性连接到框架或基座1上。这样，通过检测并测量第一板10和 第二板20的相对运动和/或位置而确定帽2相对于基座框架1的运动或位 置。因此，本发明的光电子装置100确定相对运动或位置所针对的两个 "对象"可以理解为第一板10和第二板20。尽管如此，这两个对象的相 对运动或位置也对应于分别刚性连接到第一板10和第二板20的基座1 和帽2的相对运动或位置。
参照附图1、 3和4，第二板20通过三个等间隔的螺旋弹簧元件6 弹性连接到第一板10。各弹簧元件6的下端都适于(优选通过焊接)被 接收并固定到形成在第一板10中的对应的安装孔12内。类似地，各弹 簧元件6的上端都适于(还是优选通过焊接)被接收并固定到形成在第 二板20中的对应的安装孔22内。这样，基本圆形的第二板20被安装在 基本圆形的第一板10的正上方与其隔开且基本平行的中性位置(在图4 中示出)，以使得第二板20被弹簧元件6向中性位置弹性施力。在这方 面，弹簧6作用而使得第二板20在相对于第一板10运动或移动时返回 到中性位置。
仍参见附图1,但还参见附图5、 6和7，用于确定第一和第二板10、 20的相对运动和/或位置的各测量单元包括从第一板10的上侧上伸出的 呈红外发光二极管(ILED) 13形式的发光元件和安装在第二板20的下 侧上的面向第一板10的位置敏感红外检测器(PSID) 23。这样，在该实 施方式中，安装在第一板10上的ILED 13相对于装置100的基座1固定， 安装在第二板20上的PSID 23在第二板20通过按钮状帽2运动时适于 相对于ILED 13运动。
14另外，如从图5至7尤为明显的是，光屏蔽件30设在第一板10和 第二板20之间，用于有效容纳ILED 13并用于将PSID 23与可能影响读 取提供的PSID的精度的不希望的或外来的光屏蔽开。在该实施方式中， 光屏蔽件30采取多侧边(大致三角形)棱镜壳体的形式，该棱镜壳体被 设计为固定安装在第一板10上，以使得其覆盖并大致容纳ILED 13。在 该具体实施方式
中，在第二板10上设有六个ILED 13并在第二板20上 设有三个PSID 23，以使得各PSID 23被设计为由两个分开的ILED 13照 明。由此各PSID23被设计为形成两个分开的测量单元的一部分。
如可从附图6和7中清楚看出的，光屏蔽件30具有带有多个空腔的 大致中空结构，这些空腔限定了在第一板10上的各ILED 13及其安装在 上方的第二板20上的相应PSID23之间的各光路通道31。另外，如图5 所示，光屏蔽件壳体30包括形成在其顶侧或顶壁33中的狭缝光阑32， 以使得各狭缝光阑32布置在一个ILED 13和该ILED将要照明的相应的 PSID23之间的光路中。在该实施方式中，各ILED13布置在大致三角形 壳体30的两个相邻侧边之间的顶点附近，且相应的狭缝光阑32在顶壁 部33处沿着各侧边的长度布置在中央。各狭缝光阑32的狭缝方向大致 横向于、且优选垂直于相关PSID 23的光敏感部分或轴线。光屏蔽件30 的壁部分33是非透明的，即一般不透明，以从PSID23排除不希望或外 来的光，并由此确保仅有透过狭缝光阑32传输的光落在检测器上。
进一步参考附图6和7，因为各PSID 23由两个分开的ILED 13照明， 所以大致三个侧边的光屏蔽件壳体30的各侧边由中央分隔壁34分为两 个分开的光路通道31。这样，各PSID23由其两个分开的ILED 13通过 两个分开的狭缝光阑32照明。各狭缝32针对仅一个ILED 13提供与相 关PSID的光学连通。艮卩，各ILED 13设有其自身指定的狭缝光阑32。 每对狭缝光阑32大致平行于相关PSID 23的光敏感部分设置并大致垂直 于该光敏感部分延伸。这样，沿着大致三角形壳体30的各侧边形成的两 个通道31限定了从位于顶点的ILED 13朝向公共PSID23的会聚光束路 径。
这样，光屏蔽件30的通道31限定了在第一板10上的ILED 13和在第二板20上的PSID 23之间的多个单独的光束路径，以使得各光束路径 被设置为以相对于第一板10的平面、即相对于针对装置100的基座基准 平面的约3(T到约60°范围内(优选在约45° )的角度延伸。另外，由 沿着光屏蔽件30的各侧边形成的光路通道31限定的光束路径在大致与 壳体30侧边的平面对应的三个分开、交叉的平面中延伸。在这方面，具 有公共PSID 23的两个测量单元的光束路径可以考虑设在相同的平面内， 以使得光屏蔽件30形成位于ILED 13和PSID 23之间的光束路径的三维 阵列。这又提供了特别紧凑的光电子装置100，同时也提供了对于光屏蔽 件形状修改的很大灵活性。特别是，应理解也可由本发明想到其它光屏 蔽件构造，包括例如四棱镜和五棱镜及其它多边形、以及曲边形。
在光屏蔽件壳体30的相邻边上的通道31相互接合以在每个角部区 域形成V形凹口 ，使得光屏蔽件30具有三个由中间分隔壁34彼此分开 的V形空腔或凹口。设在壳体各角部中的成对ILED 13具有在它们相应 的狭缝光闺32和PSID 23处引导的相对聚焦的光束。这与光屏蔽件30 自身的设计和非透明性质一起有助于确保仅来自相关ILED 13的光照明 相应的PSID23。
在由本发明想到的另选实施方式中(但未示出)，安装在光屏蔽件 30的各角部区域中的各对ILED 13能够由具有更宽光束的单独ILED 13 替换。在该实施方式中，各ILED 13就能够照明沿着壳体的相邻侧边延 伸的两个光路通道31，且因而同时照明两个分开的PSID 23。
回到图1且考虑图8和9的示意图(其省略了弹簧元件6和一些其 它细节的图示)，可以看出光电子装置100还包括止动结构40，该止动结 构40被设计为提供了第二板20相对于第一板10的运动或移动超出具体 预定限制的物理障碍。止动元件40由此防止了在使用中装置100的任何 无意的过载。
在这方面，止动结构40包括三个大致细长的呈柱形栓件或销件形式 的止动件41，这些止动件41在其上端区域通过板状连接件42彼此互连。 三个销件41彼此等距分开并从板件42的一侧大致平行地延伸。另外， 销件41适于通过贯通第二板20形成的相应的开口或孔24被接收，并朝向基座1延伸以相对于基座1刚性固定。如图3所示，销件41被设置为 与基座1中用于刚性固定第一板10的安装孔5对齐。因此，销件41优 选也利用相同的安装孔5相对于基座1固定。在这方面，销件41优选地 在它们远离板件42的端部区域设有内螺纹孔。另选地，销件41的远端 能够利用粘性接合剂或其它紧固部件固定到第一板10。这样，在该特定 实施方式中，销状止动件41还形成了用于将止动结构40固定到光电子 装置100的框架1上的安装部件44。
止动结构40具有用于限定第二板20相对于第一板10运动的牢固界 限的基本坚固刚性的结构。尽管能够想到销件41和刚性板件42分开形 成并作为光电子装置100的子组件被预组装，但止动结构40更优选形成 为刚性一体部件，例如通过利用相对高密度的聚合体塑料材料注塑成型。
如显示光电子装置100的核心部件的附图4和9所示，贯通第二板 20形成的开口或孔24的直径基本大于所接收的销件41的直径。在第二 板20相对于第一板的中性位置中(如图4和9所示)，各销件41位于其 贯通第二板的相应孔24的大致中央。借助于连接板件10、 20的三个弹 簧安装元件6的弹性变形性，第二板20能够在平行于第一板10的平面 中在由孔24和销件41的侧面限定的界限内横向及旋转运动。如在图10 中可清楚看出的，当第二板20抵抗弹簧元件6的施力相对于第一板10 从其中性位置逆时针转动时，孔24的边缘最终与销件41的侧边接合， 销件41的侧边又作为止动件防止第二板的进一步转动。对于第二板20 的顺时针转动或横向移动自然也有相同的效应。
为了补偿及减弱止动结构40的动作，可以在第一板10和第二板20 之间设置三个呈矩形泡沬块形式的弹性元件7。弹性块7可以在紧邻其中 一个销件41的位置附接在第二板20的底侧。这样，当第二板20移动或 运动以使得孔24的边缘接近与相应销件41的横向侧边接触的点时，弹 性块7适于与销41接触并从而减弱或缓冲第二板20和止动结构的销件 之间的接触。
类似地，泡沫块7可以安装为从第二板20朝向第一板10延伸，同 时在其一端和第一板之间终止并留有小间隙。当第二板20朝向第一板10运动或移动时，弹性块7起初在移动位于间隙的界限内时不具有影响。
然而，当第二板20朝向第一板IO进一步移动时，至少一个弹性块7的 自由端与第一板件10接触以在第二板20与止动结构40接合之前缓冲或 减弱第二板20的运动。作为另选例，泡沫块7可以例如通过粘合安装到 光屏蔽件30的外表面上或可安装到第一板10上。
如附图9、 11和12所示，与止动结构40的销件41的上端连接的板 件42包括环形周边区域43，在该环形周边区域43，表面相对于第二板 20的中性取向角以特定的预定角度倾斜，从而限定装置的第二板20 (和 帽2)相对于第一板10 (和基座框架1)的最大倾斜角。这种成角度环形 周边区域43可以设在板件42的上侧和底侧上，如图12所示。
具体参见图11和12，当如图所示(通过帽2)向第二板20施加倾 斜运动(即，旋转运动)时，第二板20会偏转直到在已经发生了预定倾 斜量之后第二板20在成角度周边区域43中与板件42接合。与固定板件 42的成角度周边表面区域43的接触或接合起到了对第二板20沿该方向 的进一步相对运动的止动作用。同时，或可能甚至是另选的是，帽2的 上侧内表面可以与板件42的相应成角度周边部分43接合，如图12所示。 如图12所清晰示出的，在装置的操作过程中，第一板IO、光屏蔽件30 和止动结构40都相对于装置100的框架保持固定，而帽2和第二板20 相对于该框架运动。
根据本发明的光电子装置的另选实施方式在附图13和14中示意地 示出。图13示出了装置100的该另选实施方式的主要元件或核心元件的 分解视图。该视图大致对应于图1中示出的分解视图，但在该情况下省 略了装置的基座1和帽2。光电子装置100的与已经参照图1至12描述 的特征对应的相同特征用相同的附图标记标出。
如看出的那样，附图13和14中的光电子装置100的实施方式以略 微不同的方式结合了在前述实施方式中出现的本发明的相同原理。同样， 光电子装置100包括圆形第二板20和固定到基座(未示出)上的第一板 10，该第二板20与第一板10隔开且相对于第一板10大致平行地弹性安 装到螺旋弹簧元件6上。螺旋弹簧元件6以与第一实施方式所述相同的方式固定到第一和第二板10、 20上，使得第二板20能够相对于第一板 10关于中性位置弹性运动。而且，该光电子装置也具有多个测量单元， 各测量单元均包括ILED 13和PSID23。然而与第一实施方式相比，在该 实施方式中，ILED13安装到第二板20上以相对于第一板10运动，同时 PSID 23安装到第一板10上面向ILED 13，并相对于装置框架固定。
如前所述，该实施方式的光电子装置100具有设置为三组的六个测 量单元，以使得各对ILED 13都被引导以照明公共的PSID 23。该实施方 式中的光屏蔽件30具有与第一实施方式中的大致棱镜形状有很大不同的 构造，但某些区别特征保持不变。光屏蔽件30仍具有大致三角形构造， 并包括形成在该三角形构造的三个侧边区域中各侧边区域处的两个单独 的光路通道31。然而，在该情况下，光路通道31不是由棱镜壳体的平行 壁限定，而是形成在附接于整体光屏蔽部件30的侧边处的分开或离散的 隔室35中。各隔室35具有豆荚状结构，隔室35的壁部33环绕和包围 两个单独的通道31，这两个通道31由中央分隔壁部分34相互分开。这 样，各隔室35限定了形成光路通道31的一对空腔，该光路通道31从第 二板20朝向第一板10向下延伸，以将光从相应的ILED 13向PSID 23 引导或导向。如在图14可能能够更清楚看出的，各通道31接收且部分 容纳其中一个ILED13。注意，因为ILED 13具有相对聚焦的光束，所以 各ILED 13不必完全包围或完全容纳在光屏蔽件30中。如在第一实施方 式中的情况那样，由用于照明公共PSID23的ILED 13的成对通道31(即， 在该情况中的各豆荚状隔室35中的通道31)限定的光路沿着从ILED 13 朝向相关PSID 23的方向朝向彼此会聚。另外，如第一实施方式的情况 那样，由在光屏蔽件30的各侧边处的通道31限定的光束路径在分开、 交叉的平面中延伸，以使得光屏蔽件30在ILED 13和PSID 23之间形成 光束路径的三维阵列。
该第二实施方式的光屏蔽件30能够在图15中更详细地看出，但相 比于图13中示出的示意方式具有一些小改动。例如，在图15中示出的 光屏蔽件30中，各豆荚状隔室35的形成光路通道31的侧壁部分33的 上部没有被切除，以使得在组装装置100时，在该光屏蔽件30中的各ILED13将大致完全包围且容纳在光屏蔽件的相应通道内。尽管在图13至15 中示出的光屏蔽件的视图中不能实际看出，但光屏蔽件30的在各豆荚状 隔室35的底侧上的壁部以与在第一实施方式中的光屏蔽件壳体中结合狭 缝光阑相同的方式在各PSID 23上方结合有狭缝光阑32。
与第一实施方式不同，在该实施方式中的光屏蔽部件30设计为牢固 固定且由此悬挂在可动的第二板20上，以与第二板20 —起相对于第一 板件10运动。为此，图15示出了相邻于在豆荚状隔室35中的各通道31 之间的分隔壁部分34形成的螺纹孔36，用于将光屏蔽件30螺纹紧固到 第二板20上。这样，光电子装置100的固定在第一板件10上的PSID23 通过检测从可动ILED 13发出且经由形成在豆荚状结构35的底侧中的狭 缝光阑32照明PSID 23的光来检测第二板20的运动和位置。
参照图13和15，应注意，该第二实施方式的光屏蔽件30构成了光 电子装置100的多功能部件。即，其功能不仅是以将PSID 23与外来或 不需要的光屏蔽的方式向PSID 23导向且引导光。如上所述，光屏蔽部 件30还具有通过螺纹孔36连接到第二板20的安装能力。另外，光屏蔽 部件30结合有中央空间或空腔37，该空腔37设计为接收止动结构40， 具体是细长的止动件41。在这方面，本领域技术人员应理解，光屏蔽件 30能够结合三个构造与第一实施方式相同的用于止动结构40的筒形空间 或空腔。然而，在本实施方式中，止动结构40具有略微不同构造(如在 下面更详细描述的那样)，结果，空间或空腔37是连续的。类似地，形 成在第二板20中的用于容纳止动结构40的销件41的前述圆形开口 24 在该实施方式中被互连以形成单个连续的开口 25，圆形开口 24的一些部 分仍在角部中。另外，该光屏蔽部件30的边缘区域可以成形为与形成在 板20中的开口 25匹配，以便于定位和安装光屏蔽件。在这方面，如能 从图15看出的，光屏蔽部件30的上边缘区域具有直立边缘38，其外形 被设计为与形成在第二板20中的开口 25的形状匹配。这样，当光屏蔽 部件30附接到第二板20上时，边缘38能够装配地接收在开口 38中。 可以看出，光屏蔽部件30中的空间或空腔37包括用于接收止动结构40 的安装部分的中央区域和从该中央区域延伸用于接收各止动件41的凸出区域，如下所述。
现在参见图13所示的装置100的该实施方式中的止动结构40，止 动结构40包括呈细长柱形件形式的中央安装部分44，该中央安装部分 44被设计为在其下端相对于光电子装置的框架固定。为此目的，设置大 螺纹紧固件8，该紧固件8穿过形成在第一板10中的中央螺纹孔14并与 在中央安装部分44中的相应螺纹孔(未示出)接合。该同一个螺纹紧固 件8还可以将第一板10刚性固定到光电子装置100的基座或框架上(见 图1)。
另外，止动结构40包括呈大致柱形销件或栓件形式的三个细长止动 件41，如第一实施方式中的情况那样。这些止动件41围绕中央安装部分 44横向且间隔地设置。另外，止动件41大致平行于安装部分44且彼此 平行地延伸。仍如第一实施方式中的情况那样，止动结构40结合有盘形 板件42，该盘形板件42将各止动件41的上端彼此刚性互连。重要的是， 该板件42还将各止动件41与柱形安装件44的上端区域(即安装部分44 的与利用螺纹紧固件8固定到装置框架的下端区域相对的端部区域)刚 性连接。在该实施方式中，止动件41和安装部分44之间的连接还受到 从中央安装部分44朝向止动件径向向外延伸的腹板元件45的影响。该 径向腹板、翅片或肋元件增强了止动结构40的刚性并尤其用于稳定细长 的止动件41。腹板元件45的厚度能够根据需要的刚度进行选择。腹板元 件45被示出为在止动件41的大致整个长度上延伸，但这也可以根据需 要的刚度而改变。
仍参见附图13和14，可以看出在该实施方式中，细长的止动件41 具有与中央安装件44大致相同的长度，从而止动件41的下端延伸到第 一板IO。然而，与第一实施方式不同，止动件41的这些下端区域没有固 定到第一板IO。而是，止动件41的下端区域仅接触并靠在第一板的上表 面上。这样，本实施方式的止动结构40能够通过固定到安装部分44上 的螺纹紧固件8由单个的紧固操作安装并固定到框架上。
本领域技术人员会理解，止动件41不必很长或从板件42延伸到第 一板IO。在这方面，因为中央安装部分44用于在其下端区域将止动结构
2140刚性固定到装置100的框架，所以止动件41根本不必接触第一板(尽 管这样的构造可以增强稳定性)。事实上，参见图14可以理解，止动件 41仅需要延伸足够的量以与第二板件20和/或形成接收止动件41的空腔 37的光屏蔽部件30的上边缘38或上壁部分相互作用。
现在参见附图16和17，提供了对应于图13和14中的示意图的本 发明的光电子装置的实施方式的更详细视图。这些附图显示了更多的细 节，但相同的特征标以对应的附图标记。应注意，例如，止动结构40的 板连接件42具有与参照图8至12所描述的相同设计和功能的成角度周 边区域43。
另外，应注意，各止动件41的下端包括小突起46，小突起46设计 为被接收和定位在形成于第一板件10中的相应孔15中。在这种情况下， 止动件41的具有突起46的下端没有固定到第一板件10，而是仅仅插入 到孔15中以正确定位或对准止动件41。突起46和孔15之间的相互作用 还在第二板20 (即，通过帽2)的侧向转动(例如如图IO所示)使得该 板与止动件41接触时增强了止动件41的稳定性。
图16和17中示出的该实施方式的进一步细节涉及光屏蔽部件30的 在前面参照图13和14没有提到的功能方面。该进一步的功能方面涉及 在安装于第一板10上的三个PSID 23之间的位置处在光屏蔽部件30的 下侧上设置小结节(nodule)或圆形凸起(未示出)。这些结节或圆形凸 起被设计为用作止动元件，以在帽2附接到光电子装置100上之前第二 板20抵抗螺旋弹簧元件6的施力被向下按压的情况下防止光屏蔽部件30 与PSID 23意外接触。在这方面，从图12可以注意，板状连接件42 — 般与帽2相互作用以限制第二板向下运动的范围。然而，在没有任何帽2 的情况下，光屏蔽部件30的下侧上的结节或圆形突起(未示出)在PSID 23的高度上方提供有间隙，以确保敏感的PSID部件23不会在附接帽2 之前由于第二板20的无意按压而损坏。
PSID 23—般通过焊接到第一板10上的线元件安装并电连接，同时 各ILED 13 —般通过焊接到可运动的第二板20上的线元件而相应地安装 并电连接。光屏蔽部件30通过紧固螺钉9刚性固定到第二板20上，紧固螺钉9在上边缘己经匹配或配合地接收在设于第二板20中的匹配开口 25中之后穿过第二板中的孔26并接合在孔36中。如还在图15中示出的， 在板20中的开口 25中设置凸耳或突起39 (例如在边缘38上)及相应的 凹口或凹槽还有助于相对于板20正确定位光屏蔽部件30,并确保这些部 件的相应取向正确。
权利要求
1、一种用于光电子装置(100)的光屏蔽件(30)，该光电子装置(100)确定两个对象的相对运动或相对位置，该光屏蔽件(30)包括多个通道(31)，各所述通道(31)在所述光电子装置的发光元件(13)和检测器(23)之间形成了用于光束的路径，其中至少两个所述通道(31)限定了来自所述发光元件(13)的彼此会聚的光路。
2、 根据权利要求1所述的光屏蔽件(30)，其中，所述多个光路通 道(31)被设置为至少两个为一组的一个或多个组，并限定了朝向公共 检测器(23)会聚的分开的光路。
3、 一种用于光电子装置(100)的光屏蔽件(30)，该光电子装置(100) 用于确定第二对象(20)相对于第一对象(10)的位置或运动，其中， 该光屏蔽件(30)包括多个通道(31),各所述通道(31) —起限定了在 所述光电子装置的所述第一和第二对象(10， 20)之间的光束路径的非 平面或三维阵列。
4、 根据权利要求3所述的光屏蔽件(30)，其中，所述多个通道(31) 设置成使得由所述通道(31)限定的光路在所述第一和第二对象之间的 分开的平面中、且优选是相互交叉的平面中延伸。
5、 一种用于光电子装置(100)的光屏蔽件(30)，该光电子装置(100) 用于确定第二对象(20)相对于第一对象(10)的位置或运动，所述第 二对象(20)大致是平坦的且相对于所述第一对象(10)大致平行隔开 地安装，其中，该光屏蔽件(30)适于安装在所述第一对象(10)和所 述第二对象(20)之间，并包括多个通道(31)，各所述通道(31)形成 了适于在所述第一对象(10)和所述第二对象(20)之间延伸的光束路 径。
6、 根据权利要求1至5中任一项所述的光屏蔽件(30)，其中，所 述通道(31)由所述光屏蔽件(30)的壁部(33， 34)形成，且其中各 通道至少部分地环绕或包围所述光路以限定一空腔，光沿着所述空腔在 所述光电子装置的发光元件(13)和检测器(23)之间被引导或导向。
7、 根据权利要求6所述的光屏蔽件(30)，其中，所述光屏蔽件(30) 适于至少部分地包围或容纳所述光电子装置的发光元件(13)。
8、 根据权利要求6所述的光屏蔽件(30)，该光屏蔽件(30)在包 围所述通道(31)的壁部(33， 34)中还包括一个或多个狭缝光阑(32)。
9、 根据权利要求1至8中任一项所述的光屏蔽件(30)，其中，所 述光路通道(31)限定光路，所述光路相对于与所述装置的框架的平面 和/或所述第一对象(10)的平面对应的基准平面倾斜一角度。
10、 根据权利要求9所述的光屏蔽件(30)，其中，所述光路通道(31) 限定的光束路径相对于所述基准平面以0°到90°之间的角度，优选以 0°到60°的范围内的角度，更优选以IO。到30°的范围内的角度倾斜。
11、 根据权利要求1至10中任一项所述的光屏蔽件(30)，其中， 所述光屏蔽件(30)形成为一体或整体部件。
12、 根据权利要求1至11中任一项所述的光屏蔽件(30)，该光屏 蔽件(30)还包括适于接收所述光电子装置(100)的止动结构(40)或 至少一个止动件(41)的空间或空腔(35)。
13、 根据权利要求12所述的光屏蔽件(30)，其中，限定所述空间 或空腔(35)的光屏蔽件的壁部(36)适于在所述第一对象(10)和所 述第二对象(20)之间的相对运动极限处与所述止动结构(40)或所述 至少一个止动件(41)接触。
14、 根据权利要求12所述的光屏蔽件(30)，其中，所述光路通道 (31)围绕用于接收所述止动结构(40)或所述至少一个止动件(41)的所述空间或空腔(35)设置。
15、 根据权利要求1至14中任一项所述的光屏蔽件(30)，其中， 所述光屏蔽件(30)适于安装到所述第一对象(10)和所述第二对象(20) 的其中一个上。
16、 一种用于确定两个对象的相对运动或相对位置的光电子装置 (100)，该光电子装置(100)包括第一对象(10)，该第一对象(10)相对于所述装置的框架(1)固定；第二对象(20)，该第二对象相对于所述第一对象(10)隔开地安装并适于相对于所述第一对象(10)运动；用于确定所述第二对象(20)相对于所述第一对象(10)的运动或 移动的多个测量单元，每个测量单元均包括发光元件(13)和用于检测 来自该发光元件(13)的光的捡测器(23);以及安装在所述第一对象和所述第二对象之间的根据前述权利要求中任 一项所述的光屏蔽件(30)，其中所述光屏蔽件(30)的各光路通道(31) 延伸的距离是其中一个所述测量单元的发光元件(13)和检测器(23) 之间的距离的至少一部分。
17、 根据权利要求16所述的光电子装置(100)，其中，各测量单元 还包括设在所述位置敏感检测器(23)和所述发光元件(13)之间的光 路中的狭缝光阑(32)，且其中所述光屏蔽件(30)在其侧部或壁部(33， 34)中结合有所述狭缝光阑(32)。
18、 根据权利要求17所述的光电子装置(100),其中，由所述光屏 蔽件(30)限定的各光路通道(31)在发光元件(13)和相关狭缝光阑(32)之间延伸。
19、 根据权利要求16至18中任一项所述的光电子装置(100)，其 中，至少一个检测器(23)由两个分开的发光元件(13)照明，从而形 成具有公共检测器的两个测量单元，且其中所述光屏蔽件(30)限定了 在所述分开的发光元件(13)和所述公共的位置敏感检测器(23)之间 延伸的分开的光路通道(31)。
20、 根据权利要求19所述的光电子装置(100),其中，具有公共检 测器(23)的所述两个测量单元的每一个均具有设在对应的发光元件(13) 的光束路径中的分开的狭缝光阑(32)，所述分开的狭缝光阑(32)彼此 相邻设置，优选地在所述光屏蔽件(30)的侧部或壁部(33， 34)中平 行地设置。
21、 根据权利要求19所述的光电子装置(100)，其中，由多于一个 的发光元件(13)照明以形成多个测量单元的各检测器(23)由所述发 光元件交替地，即周期性地照明。
22、 根据权利要求16至21中任一项所述的光电子装置(100)，其 中，在所述光屏蔽件(30)的空间或空腔(35)中接收止动结构(40) 或至少一个止动件(41)，用于限制所述第二对象(20)相对于所述第一 对象(10)的运动。
23、 根据权利要求22所述的光电子装置(100)，其中，限定所述空 间或空腔(35)的所述光屏蔽件(30)的壁部(36)适于在所述第一对 象(10)和所述第二对象(20)之间的相对运动的极限处与所述止动结 构(40)或所述至少一个止动件(41)接触。
24、 根据权利要求22所述的光电子装置(100)，其中，所述光屏蔽 件(30)中的所述光路通道(31)围绕用于接收所述止动结构(40)或 止动件(41)的所述空间或空腔(35)设置。
25、 一种力传感器和/或力矩传感器，该力传感器和/或力矩传感器 结合有根据权利要求16至24中任一项所述的光电子装置(100)。
26、 一种用于个人计算机的键盘，该用于个人计算机的键盘结合有 根据权利要求16至24中任一项所述的光电子装置(100)。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定两个对象的相对运动或相对位置的光电子装置(100)，该光电子装置(100)包括第一对象(10)，该第一对象(10)相对于所述装置的框架(1)固定；第二对象(20)，该第二对象相对于所述第一对象(10)隔开地安装并适于相对于所述第一对象(10)运动；以及用于确定所述第二对象(20)相对于所述第一对象(10)的运动或移动的多个测量单元。每个测量单元均包括发光元件(13)和用于检测来自该发光元件(13)的光的检测器(23)。本发明提供一种用于该光电子装置(100)的光屏蔽件(30)，该光屏蔽件包括多个通道(31)，通道(31)一起限定了在光电子装置的第一和第二对象(10，20)之间的光束路径的非平面或三维阵列。各通道(31)在光电子装置的检测器(23)和发光元件(13)之间形成了用于光束的路径，其中至少两个所述通道(31)限定了来自所述发光元件(13)的彼此会聚的光路。
文档编号G06F3/0338GK101410776SQ200780011107
公开日2009年4月15日 申请日期2007年4月5日 优先权日2006年4月5日
发明者安东尼奥·帕斯库奇, 福尔克尔·森夫特 申请人:3D康奈克申控股公司