CN111102916A - 角度感测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种角度感测装置，包括一第一物体、一第二物体、一磁场源及一第一磁传感器。第二物体适于相对于第一物体转动，以使得第二物体相对于第一物体的倾斜角产生变化。磁场源连接至第二物体。第一磁传感器连接至第一物体，且用以感测磁场源所产生的磁场。当第二物体相对于第一物体转动时，第一磁传感器所感测到的磁场产生变化，而使得第一磁传感器的对应于磁场的输出信号产生变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种感测装置，尤其涉及一种角度感测装置。
背景技术
角度感测技术(angle sensing technology)已被广泛地应用于消费性电子产品、工业自动化、汽车及航太领域。角度感测可分为接触式与非接触式角度感测。非接触式角度感测的主要优点是不会产生磨损，因此在长期使用下仍能提供可信赖的效能。
磁感测式非接触式角度感测是主要的角度感测技术之一，且广泛应用于各种领域，其具有抗环境干扰(如抗尘、抗油污、抗机械振动等)的显著效果。
在传统的磁感测式角度感测技术中，是将磁传感器与磁铁或磁编码器(magneticencoder)设置于转轴中，这种旋转角度监控的方法广泛地被应用于工业或汽车领域。然而，在转轴中不允许装设传感器的应用中，上述的磁感测式角度感测技术便无法派上用场。
发明内容
本发明提供一种角度感测装置，其可以实现不将传感器安装于转轴的角度感测。
本发明的一实施例提出一种角度感测装置，包括一第一物体、一第二物体、一磁场源及一第一磁传感器。第二物体适于相对于第一物体转动，以使得第二物体相对于第一物体的倾斜角产生变化。磁场源连接至第二物体。第一磁传感器连接至第一物体，且用以感测磁场源所产生的磁场。当第二物体相对于第一物体转动时，第一磁传感器所感测到的磁场产生变化，而使得第一磁传感器的对应于磁场的输出信号产生变化。
在本发明的实施例的角度感测装置中，采用了将第一磁传感器与磁场源分别连接至第一物体与第二物体，且利用第一磁传感器感测磁场源所产生的磁场的变化的方式来测得第一物体与第二物体之间的角度。因此，本发明的实施例的角度感测装置可以实现不将磁传感器安装于转轴的角度感测。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的角度感测装置的剖面示意图；
图2为本发明的另一实施例的角度感测装置的剖面示意图；
图3A、图3B、图3C、图3D及图3E分别示出图1中的第二物体相对于第一物体的倾斜角在0度、90度、180度、270度及360度时角度感测装置的状态简图；
图4为图1的角度感测装置中的第一磁传感器与第二磁传感器的输出电压相对于第二物体相对于第一物体的倾斜角的关系曲线图；
图5为本发明的另一实施例的角度感测装置的剖面示意图；
图6为图5的角度感测装置中的第一磁传感器的输出电压相对于第二物体相对于第一物体的倾斜角的关系曲线图。
附图标号说明：
100、100a、100b：角度感测装置
110：第一物体
120：第二物体
130：磁场源
140：第一磁传感器
150：第二磁传感器
160、160a：转动机构
162：轴
170：控制器
θ：倾斜角
D1：第一方向
D2：第二方向
D3：第三方向
N：N极
P1：第一参考平面
P2：第二参考平面
P3：第三参考平面
S：S极
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的角度感测装置的剖面示意图。请参照图1，本实施例的角度感测装置100包括一第一物体110、一第二物体120、一磁场源130及一第一磁传感器140。第二物体120适于相对于第一物体110转动，以使得第二物体120相对于第一物体110的倾斜角θ产生变化。在本实施例中，第一物体110与第二物体120为二个基板，其例如分别为笔记本电脑的底座与上盖(例如屏幕)，或为其他装置的两个可以相对转动的部件。
磁场源130连接至第二物体120。第一磁传感器140连接至第一物体110，且用以感测磁场源130所产生的磁场。在本实施例中，磁场源130例如是永久磁铁(permanentmagnet)或电磁铁(electric magnet)。本实施例是以磁场源130配置于第二物体120中为例，但在其他实施例中，磁场源130亦可以配置于第二物体120的表面上。此外，本实施例是以第一磁传感器140配置于第一物体110中为例，但在其他实施例中，第一磁传感器140亦可以配置于第一物体110的表面上。
当第二物体120相对于第一物体110转动时，第一磁传感器140所感测到的磁场源130所产生的磁场产生变化，而使得第一磁传感器140的对应于此磁场的输出信号产生变化。如此一来，便能够根据输出信号来判断出倾斜角θ的大小。
在本实施例的角度感测装置100中，采用了将第一磁传感器140与磁场源130分别连接至第一物体110与第二物体120，且利用第一磁传感器140感测磁场源130所产生的磁场的变化的方式来测得第一物体110与第二物体120之间的角度。因此，本实施例的角度感测装置100可以实现不将磁传感器安装于转轴的角度感测。
在本实施例中，角度感测装置100还包括一第二磁传感器150，连接至第一物体110，且用以感测磁场源130所产生的磁场。由于第二磁传感器150在第一物体110上的位置不同于第一磁传感器140在第一物体110上的位置，因此当第二物体120相对于第一物体110转动时，第一磁传感器140所感测到的磁场变化不同于第二磁传感器150所感测到的磁场变化。本实施例是以第二磁传感器150配置于第一物体110中为例，但在其他实施例中，第二磁传感器150亦可以配置于第一物体110的表面上。
在本实施例中，角度感测装置100还包括一转动机构160，连接第一物体110与第二物体120，其中第二物体120通过转动机构160相对于第一物体110旋转，且第一磁传感器140、第二磁传感器150及磁场源130皆配置于转动机构160之外。在本实施例中，转动机构160为具有相连的多轴162的转动机构，其中这些轴162平行于第三方向D3，其垂直于倾斜角θ展开的方向。然而，在另一实施例中，如图2所示出，角度感测装置100a的转动机构160a可以是单轴的转动机构，也就是单一的旋转轴。此外，在其他实施例中，转动机构160也可以是可变形的部件，例如是可改变弯曲形状的部件，而使得第二物体120相对于第一物体110的倾斜角θ可以产生变化。或者，转动机构160可以是任何使倾斜角θ可以发生变化的机构。
在本实施例中，第一磁传感器140与第二磁传感器150分别位于一第一参考平面P1上与一第二参考平面P2上，且磁场源130位于一第三参考平面P3上。第一参考平面P1、第二参考平面P2及第三参考平面P3均平行于第二物体120相对于第一物体110转动的转轴，也就是平行于第三方向D3。第一参考平面P1平行于第二参考平面P2，且当第二物体120相对于第一物体110转动时，第三参考平面P3相对于第一参考平面P1的倾斜角(相当于倾斜角θ)产生变化。在本实施例中，角度感测装置100可视为处于由第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3所建构出的空间中，其中第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3彼此互相垂直，且第一参考平面P1平行于第二方向D2与第三方向D3所建构出的平面。
在本实施例中，第二磁传感器150在第一参考平面P1上的正投影不与第一磁传感器140重叠。此外，在本实施例中，第二磁传感器150在第一参考平面P1上的正投影与转轴(即第二物体120相对于第一物体110转动的转轴)的距离不同于第一磁传感器140与此转轴的距离。也就是说，第一磁传感器140与第二磁传感器150在第二方向D2上的位置是不同的，且在第一方向D1上的位置也是不同的，如此一来，当第二物体120相对于第一物体110转动时，第一磁传感器140所感测到的磁场变化便可以不同于第二磁传感器150所感测到的磁场变化。
第一磁传感器140与第二磁传感器150可为单轴磁传感器、多轴磁传感器或其组合。在本实施例中，第一磁传感器140与第二磁传感器150是以单轴磁传感器为例，其可以感测第二方向D2上的磁场分量。而多轴磁传感器例如是双轴磁传感器或三轴磁传感器，其例如可以感测第一方向D1、第二方向D2与第三方向D3中的任二个方向的磁场分量，或感测第一方向D1、第二方向D2与第三方向D3的磁场分量。
图3A、图3B、图3C、图3D及图3E分别示出图1中的第二物体相对于第一物体的倾斜角在0度、90度、180度、270度及360度时角度感测装置的状态简图。图4为图1的角度感测装置中的第一磁传感器与第二磁传感器的输出电压相对于第二物体相对于第一物体的倾斜角的关系曲线图。请先参照图3A，当第二物体120相对于第一物体110的倾斜角θ为0度时，磁场源130的N极朝向第一方向D1，S极朝向第一方向D1的反方向，第一物体110位于第二物体120下方，第一物体110与第二物体120的长轴互相平行，此时主要磁场分量在第一方向D1上，而由于第一磁传感器140与第二磁传感器150的配置位置的不同，第一磁传感器140处的磁场与第二磁传感器150处的磁场存在磁场强度差。
请再参照图3B，当第二物体120相对于第一物体110的倾斜角θ为90度时，磁场源130的N极朝向第二方向D2，S极朝向第二方向D2的反方向，第一物体110的长轴垂直于第二物体120的长轴，由第一磁传感器140与第二磁传感器150所感测的主要磁场分量在第二方向D2的反方向。由于第一磁传感器140与第二磁传感器150的配置位置的不同，第一磁传感器140处的磁场与第二磁传感器150处的磁场存在磁场强度差。
请参照图3C，当第二物体120相对于第一物体110的倾斜角θ为180度时，磁场源130的S极朝向第一方向D1，N极朝向第一方向D1的反方向，第一物体110的长轴平行于第二物体120的长轴，且第一物体110位于第二物体120的左侧，第一磁传感器140与第二磁传感器150所感测的主要磁场分量落在第一方向D1。由于第一磁传感器140与第二磁传感器150的配置位置的不同，第一磁传感器140处的磁场与第二磁传感器150处的磁场存在磁场强度差。
请参照图3D，当第二物体120相对于第一物体110的倾斜角θ为270度时，第一物体110的长轴垂直于第二物体120的长轴，磁场源130的S极朝向第二方向D2，N极朝向第二方向D2的反方向，第一磁传感器140与第二磁传感器150所感测到的主要磁场分量在第二方向D2。由于第一磁传感器140与第二磁传感器150的配置位置的不同，第一磁传感器140处的磁场与第二磁传感器150处的磁场存在磁场强度差。
请参照图3E，当第二物体120相对于第一物体110的倾斜角θ为360度时，第二物体120的长轴平行于第一物体110的长轴，第二物体120在第一物体110的下方，第一磁传感器140与第二磁传感器150所感测到的主要磁场分量在第一方向D1上。由于第一磁传感器140与第二磁传感器150的配置位置的不同，第一磁传感器140处的磁场与第二磁传感器150处的磁场存在磁场强度差。
在图3A中，磁场源130的N极与S极是呈垂直摆放，然而，在其他实施例中，磁场源130的N极与S极也可以是呈水平摆放、倾斜摆放或以其他适当的方式摆放。
请再参照图4，在图4中，标示“140D2”的曲线代表第一磁传感器140感测到的第二方向D2上的磁场分量所对应输出的输出电压相对于倾斜角θ的关系曲线，而标示“150D2”的曲线代表第二磁传感器150感测到的第二方向D2上的磁场分量所对应输出的输出电压相对于倾斜角θ的关系曲线。由图4可发现，第一磁传感器140在倾斜角θ为0度到90度及270度到360度时有较高的敏感度(sensitivity)(因为此时曲线的斜率较大)，而第二磁传感器150在倾斜角θ为90度到270度时有较高的敏感度。
在本实施例中，角度感测装置170还包括一控制器170，电性连接至第一磁传感器140与第二磁传感器150。控制器170可根据第一磁传感器140与第二磁传感器150的输出电压来决定角度感测装置170所测得的倾斜角θ的大小。在一实施例中，控制器170可交替运用第一磁传感器140与第二磁传感器150的输出电压来决定倾斜角θ的大小。举例而言，倾斜角θ为0度到90度及270度到360度是第一磁传感器140的敏感区域，而倾斜角θ为90度到270度是第二磁传感器150的敏感区域，而控制器170可根据倾斜角θ是若在哪个传感器的敏感区域来决定采用所述传感器的输出电压大小来决定所测得的倾斜角θ的大小。也就是说，若第一磁传感器140与第二磁传感器150所测得的输出电压所对应的倾斜角θ是若在0度到90度或270度到360度时，则控制器170采用第一磁传感器140的输出电压来决定所测得的倾斜角θ的大小。反之，若第一磁传感器140与第二磁传感器150所测得的输出电压所对应的倾斜角θ是若在90度到270度时，则控制器170采用第二磁传感器150的输出电压来决定所测得的倾斜角θ的大小。
在一实施例中，控制器170例如为中央处理单元(central processing unit,CPU)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,DSP)、可程序化控制器、可程序化逻辑装置(programmable logic device,PLD)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，控制器170的各功能可被实作为多个程序码。这些程序码会被存储在一个存储器中，由控制器170来执行这些程序码。或者，在一实施例中，控制器170的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作控制器170的各功能。
图5为本发明的另一实施例的角度感测装置的剖面示意图，而图6为图5的角度感测装置中的第一磁传感器的输出电压相对于第二物体相对于第一物体的倾斜角的关系曲线图。请先参照图5，本实施例的角度感测装置100b类似于图1的角度感测装置100，而两者的主要差异如下所述。本实施例的角度感测装置100b具有第一磁传感器140，但不具有如图1的第二磁传感器150。也就是说，在本实施例中，角度感测装置100b具有单一的磁传感器(即第一磁传感器140)，而第一磁传感器140可为多轴磁传感器(例如为双轴磁传感器或三轴磁传感器)或单轴磁传感器。
此外，第一磁传感器140与磁场源130皆配置于转动机构160之外，且控制器170电性连接至第一磁传感器140。在图6中，标示“140D2”的曲线代表第一磁传感器140感测到的第二方向D2上的磁场分量所对应输出的输出电压相对于倾斜角θ的关系曲线。由图6可知，第一磁传感器140对第二方向D2上的磁场分量的敏感度在倾斜角于0度到90度及270度到360度的时候较高，且敏感度在倾斜角于90度到270度时较低。因此，第一磁传感器140可采用双轴的磁传感器，其例如可以感测第一方向D1及第二方向D2等双轴向的磁场分量，而控制器170在倾斜角θ于0度到90度或270度到360度时采用感测第二方向D2的磁场分量所对应输出的电压信号来决定倾斜角θ的大小，且控制器170在倾斜角θ于90度至270度时采用感测第一方向D1的磁场分量所对应输出的电压信号来决定倾斜角θ的大小。
或者，在另一实施例中，第一磁传感器140也可以是采用单轴的磁传感器，例如是感测第二方向D2上的磁场分量的磁传感器，而在倾斜角θ于90至270度时虽然第一磁传感器140的敏感度较低，但仍可以作精确度稍低的感测，而得到精确度稍低的倾斜角θ的大小。
综上所述，在本发明的实施例的角度感测装置中，采用了将第一磁传感器与磁场源分别连接至第一物体与第二物体，且利用第一磁传感器感测磁场源所产生的磁场的变化的方式来测得第一物体与第二物体之间的角度。因此，本发明的实施例的角度感测装置可以实现不将磁传感器安装于转轴的角度感测。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
Claims (11)
1.一种角度感测装置，其特征在于，包括：
第一物体；
第二物体，适于相对于所述第一物体转动，以使得所述第二物体相对于所述第一物体的倾斜角产生变化；
磁场源，连接至所述第二物体；以及
第一磁传感器，连接至所述第一物体，且用以感测所述磁场源所产生的磁场，
其中，当所述第二物体相对于所述第一物体转动时，所述第一磁传感器所感测到的所述磁场产生变化，而使得所述第一磁传感器的对应于所述磁场的输出信号产生变化。
2.根据权利要求1所述的角度感测装置，还包括转动机构，连接所述第一物体与所述第二物体，其中所述第二物体通过所述转动机构相对于所述第一物体旋转，且所述第一磁传感器与所述磁场源配置于所述转动机构之外。
3.根据权利要求1所述的角度感测装置，还包括第二磁传感器，连接至所述第一物体，且用以感测所述磁场源所产生的磁场，其中当所述第二物体相对于所述第一物体转动时，所述第一磁传感器所感测到的磁场变化不同于所述第二磁传感器所感测到的磁场变化。
4.根据权利要求3所述的角度感测装置，所述第一磁传感器与所述第二磁传感器分别位于第一参考平面上与第二参考平面上，且所述磁场源位于第三参考平面上，所述第一参考平面、所述第二参考平面及所述第三参考平面均平行于所述第二物体相对于所述第一物体转动的转轴，所述第一参考平面平行于所述第二参考平面，且当所述第二物体相对于所述第一物体转动时，所述第三参考平面相对于所述第一参考平面的倾斜角产生变化。
5.根据权利要求4所述的角度感测装置，其中所述第二磁传感器在所述第一参考平面上的正投影不与所述第一磁传感器重叠。
6.根据权利要求5所述的角度感测装置，其中所述第二磁传感器在所述第一参考平面上的所述正投影与所述转轴的距离不同于所述第一磁传感器与所述转轴的距离。
7.根据权利要求3所述的角度感测装置，还包括转动机构，连接所述第一物体与所述第二物体，其中所述第二物体通过所述转动机构相对于所述第一物体旋转，且所述第一磁传感器、所述第二磁传感器与所述磁场源配置于所述转动机构之外。
8.根据权利要求3所述的角度感测装置，其中所述第一磁传感器与所述第二磁传感器为单轴磁传感器、多轴磁传感器或其组合。
9.根据权利要求1所述的角度感测装置，其中所述第一磁传感器为多轴磁传感器。
10.根据权利要求1所述的角度感测装置，其中所述第一物体与所述第二物体为二个基板。
11.根据权利要求1所述的角度感测装置，其中所述磁场源为永久磁铁或电磁铁。
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