CN114545299A - 非接触式磁感应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式磁感应系统。提出了对于旋转磁铁的中心轴可提取配置有多个磁传感器而且从中心点分别间隔90度配置的旋转角的感应系统。

Description

非接触式磁感应系统
技术领域
本发明涉及非接触式磁感应系统，更详细地说，涉及可检测在三维空间上的运动的磁传感器和包括该磁传感器的系统。
背景技术
近来，在移动设备的性能比较方面，相比于通信功能的优劣，比较相机功能、根据安装各种应用程序(app)的运行流畅性、存储性能的最大化等正在变得更加重要。此外，随着半导体技术的发展，可在移动设备内处理由安装在移动设备的各种传感器生成的人体生理信息，而且利用三维传感器或者三轴传感器还获取移动设备本身的运动信息，将该信息反映于设备内更加提高移动设备的实用性的技术也在更加多样化地适用。
以下，对于发明的背景技术进行说明。
图1示出了具有旋转轴可进行旋转的圆形旋转磁铁和三维坐标系。磁铁的N极和S极是不可分开的，因此为了方便起见，假设两极在圆中心分开。为了表现磁铁的旋转，假设虚拟旋转轴位于旋转磁铁的中心。正如大家都知道的常识，表示磁场的磁力线是从N极出发到达S极。在图2中用带有箭头的线表示该磁力线的方向。
若在俯视旋转轴在三维坐标系的原点的旋转磁铁，即俯视X-Y平面，则如图3看起来像一个圆形。若旋转磁铁在将轴设置在原点的状态下进行旋转，则就像圆在进行旋转。假设在开始旋转之前N极在上S极在下并且在角度上将该状态假设为0。若磁铁进行旋转，则磁场的方向也同样旋转。在如图3所示的坐标系中，在原点测量磁场强度的情况下，旋转角度为0时，磁场的Y轴成分最大，磁场的X轴成分最小。在旋转角度为90度时，磁场的Y轴成分最小，X轴成分最大。由于旋转是在X-Y平面上进行，因此Z轴成分保持不变。
因此，旋转是以原点为中心从0度至360度为旋转一圈时，如图4所示，在原点检测的磁力的各轴方向的磁场变化中，X轴成分表示出正弦波形(sine waveform)，Y轴成分表示出余弦波形(cosine waveform)，而Z轴成分保持不变。在图4中水平轴表示旋转角度，垂直轴表示磁力大小。在旋转磁铁和检测磁场的传感器同时位于原点时，磁场的Z成分为0，因此在图4在用直线示出。然而，实际上旋转磁铁与传感器不能占据相同的空间，因此旋转磁铁从传感器所在的原点稍微相隔距离。在该情况下，微弱地检测到磁场的Z轴成分，而且是与旋转无关的预定的常数，因此在图4中用虚线示出。可通过利用霍尔(Hall)效应的霍尔传感器等实现磁场的检测。
可用磁力的X轴成分和Y轴成分表示旋转磁铁在X-Y平面上构成的角度。在图5示出的X-Y角度图(angular diagram)中，在旋转角度分别为0、90、180、270度时，可分别用[0,1]、[1,0]、[0,-1]、[-1,0]表达这些成分，此时[]内的0、1、-1值分别表示最小值、阳的最大值、阴的最大值。在其他任意的角度中[]内的值具有-1至1之间的值。即，[]内的值相当于传感器的输出，由此可以知道旋转磁铁的准确角度。更准确地说，通过反正切(arctangent)求得[]内的值。如果旋转磁铁的旋转轴与X传感器和Y传感器的中心点准确地一致，则图5的角度图形成为以中心点为原点的圆形。由于磁场的Z轴成分为0，因此如图5所示Z-Y图及Z-X图为直线，虽然小，但是到预定的值时变为虚线。
但是，存在如下的缺点：这些传感器应配置在原点，并且因为这些传感器占据的空间而无法将旋转磁铁准确地追加配置在原点。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献：美国授权专利号10,551,222B2(2020.02.04)
发明内容
(要解决的问题)
本发明要解决的技术课题在于提供一种在检测三维空间的磁场时只用负责一个轴的磁传感器也可检测三维空间的磁场的系统。
本发明要解决的技术课题在于提供一种将旋转磁铁位于磁传感器所在的平面的中心并且在该中心点间隔预定距离的配置磁传感器以提高空间利用率的系统。
本发明要解决的技术课题在于提供一种在检测三维空间的磁场时只用检测一个轴方向的磁场的两个磁传感器也可检测旋转磁铁的旋转角的系统。
(解决问题的手段)
根据本发明的一实施例，一种非接触式磁感应系统包括：多个磁传感器，在三维空间中检测一个轴方向的磁场；旋转磁铁，旋转轴位于多个传感器形成的对角线的交叉点或者中心点；基板，配置有所述多个磁传感器。
根据本发明的一实施例，一种非接触式磁感应系统包括：第一传感器，在三维空间中检测一个轴方向的磁场；第二传感器，以中心点为中心与第一传感器间隔90度；旋转磁铁，旋转轴位于中心点；基板，配置有多个磁传感器。
(发明的效果)
根据本发明的实施例，在非接触式磁感应系统中不仅节省元件成本，而且磁传感器可脱离中心点配置，因此配置旋转磁铁的空间利用率优秀。
附图说明
图1示出了旋转磁铁及其坐标系。
图2示出了侧视旋转磁铁的磁场方向。
图3是俯视的旋转磁铁及其坐标系。
图4分别示出了通过旋转磁铁产生的磁场的三维轴成分。
图5示出了角度图。
图6示出了配置一种传感器。
图7示出了一种传感器的配置和旋转磁铁。
图8示出了由一种传感器感应的通过旋转磁铁的旋转发生的磁场变化。
图9是将一种传感器的个数最少化的平面图。
图10是将一种传感器的个数最少化的立体图。
图11是在将一种传感器的个数最少化的情况下的角度图。
图12示出了非接触式磁感应系统。
(附图标记说明)
10：非接触式旋转磁传感器系统
100：旋转磁铁
151：原点
152：感应平面
200：基板
210：磁传感器
230：控制计算部
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施例，以使本发明所属技术领域中具有常规知识的人可容易实施。在各个附图示出的附图标记中，相同的附图标记表示相同的部件。
在本发明的说明中，如果判断相关公知技术的具体说明可使本发明的要点不清楚，则省略其详细说明。
第一、第二等的用语可使用于说明各种构件，但是所述构件不限于所述用语，所述用语只以从其他构件区分一构件的目的使用。
在本发明的实施例中公开了旋转磁铁的轴离开传感器中心配置的非接触式旋转磁铁及其系统。
在本发明的说明书全文中，以“基板”记载的单词用作安装或者形成有各种磁传感器的半导体集成电路、印刷电路基板、包括半导体集成电路的印刷电路基板及作为元件可安装在电子成品中的各种模块等的统称，但是为了便于说明，根据情况，也可用于限定性地说明包括配置有磁传感器的平面的结构。
另外，在本发明的说明书全文中，“原点”或者“中心点”的含义是指与旋转传感器的旋转轴和磁传感器所在或者配置的感应平面正交的点。
另外，在本发明中，旋转磁铁的旋转轴及旋转轴的延长线分别可以是用于说明旋转的虚拟的轴及虚拟的线。
根据本发明的一实施例，在检测三轴方向的磁场时，无需X轴及Y轴传感器的帮助，而是可利用四个Z轴传感器进行检测。如图6及图7所示，若在四个角落分别配置Z轴传感器Z1、Z2、Z3、Z4之后在中心部放置旋转磁铁，则可感应Z轴方向的磁力大小，如图8所示，该大小按照各个传感器具有90度的相位差。这种相位差是起因于四个传感器配置成以感应平面的中心点为准相差90度。此时的感应平面可以是指传感器所在或者附着的平面。
更重要的一点是，从图8所示中可以知道，在多个Z轴传感器中由Z1传感器检测的值相比于X传感器的值，只是振幅(amplitude)小，相位(phase)相同。同样地，由Z3传感器检测的值相比于Y传感器的值，只是振幅小，相位相同。由剩余Z2传感器及Z4传感器检测的值分别与由Z1、Z3传感器检测振幅相同，仅是有90度的相位差。因此，例如Z1-Z3的值即使没有X轴传感器也可具有与X轴传感器位于感应平面的中心点一样的或者类似的相位信息，同样地，Z2-Z4的值即使没有Y轴传感器也可具有与Y轴传感器位于感应平面的中心点及Y传感器的输出相同或者类似的相位信息。
这是无需位于原点的传感器，而是只用四个Z传感器可检测三维空间中的运动，因此提高了原点附近空间的利用率，但是传感器的个数应该有四个。在本发明的另一实施例中公开了即使更加减少传感器的个数也可检测三维空间的磁场的系统。在该实施例中，具有节省元件成本的其他优点，因此能够更加有成本效益(cost effective)地检测三轴方向的磁场。在该实施例中公开了旋转磁铁的旋转轴只与两个Z轴传感器所在的平面的中心点一致或者至少接近配置的非接触式旋转磁铁及其系统。
参照图9的平面图及图10的立体图说明本发明的另一实施例。该实施例不仅提高了原点附近的空间利用率，还更加减少传感器的个数，因此具有节省元件成本的其他优点。这种优点是在适用于移动设备时更加有优势。
在感应三维空间的磁场的传感器中负责一个轴的多个传感器，在此为了方便起见以Z轴传感器表示的多个传感器所在的感应平面152的中心点151或者中心点的延长线上设置旋转磁铁100。在图10的立体图中示出了为了便于说明旋转磁铁100的旋转轴从中心点151以垂直方向，即以Z轴方向分离，但实际上与中心点151接触或者非常接近。
感应平面152是指配置或者安装传感器的平面，实际上可以是指半导体基板或者印刷电路基板等的一部分表面。
中心点151是指将本发明的多个磁传感器Z1、Z2和虚拟的多个磁传感器Z3、Z4以对角线相互连接时产生的交叉点，该中心点151大致存在于基板200的平面152上。中心点151根据情况也可以是虚拟的点。
在图9及图10示出的本发明的一实施例中，只存在两个Z轴传感器Z1、Z2，在从中心点151看这两个传感器时配置成保持90度的角度。用虚线表示的其余两个传感器Z3、Z4只是为了便于说明而画在对角线上的虚拟的传感器，实际上并不存在。
以将位于中心点151或者与中心点极度相邻设置的旋转磁铁100的N极准确朝向Z1传感器，而S极位于Z1传感器的相反侧的情况为准时，由Z1传感器感应的磁场大小为0，由Z2传感器感应的磁场大小为最大。
若旋转磁铁100以顺时针方向旋转90度进而N极准确朝向Z2传感器，而S极位于Z2传感器的相反侧，则这次由Z2传感器检测的磁场的大小为最大，由Z1传感器感应的磁场的大小为0。
在以旋转磁铁100以顺时针旋转180度进而旋转磁铁100的S极准确朝向Z1传感器，而N极位于Z1传感器的相反侧的情况为准时，由Z1传感器感应的磁场的大小为0，由Z2传感器感应的磁场的大小为最小，即阴的最大。
在以旋转磁铁100以顺时针旋转270度进而旋转磁铁100的S极以准确朝向Z1传感器，而N极位于Z2传感器的相反侧的情况为准时，由Z1传感器感应的磁场的大小为最小，即阴的最大，而由Z2传感器感应的磁场的大小为0。
若根据旋转磁铁100的旋转角度表示由两个传感器，即记载为Z1及Z2的第一传感器及第二传感器感应的磁场大小，则如图11所示，第一传感器(Z1传感器)表示正弦波形(sine waveform)，而第二传感器(Z2传感器)表示出余弦波形(cosine waveform)。因此，由两个传感器感应的磁场的大小相同，而相位则具有90度的差异。在两个传感器与中心点151的距离相互相同，并且准确相差90度的情况下，磁场的振幅AZ1及AZ2也相互相同。
如果，由两个传感器检测的磁场的强度小，则可在人为放大磁场后适当利用。例如，对于由Z1传感器感应到的磁场的信息进行处理以改变符号，则可获取振幅与Z1传感器相同而相位存在180度差异的相反相位信息，这可视为阴的正弦波(sine waveform)。若通过相同的方法对于由Z2传感器感应的磁场的信息进行处理以改变符号，则可获取振幅与Z2传感器相同，而相位存在180度差异的相反相位信息，这可视为阴的余弦波(cosinewaveform)。
另外，根据需要，通过磁传感器变换为电信号的磁场的信息可变换为数字信号、过滤、存储或者可使用于其他计算。所述的各种动作可被接收各个传感器的输出的其他构件，例如放大器、信号处理器、信号变换器、记忆装置、滤波器等处理，如图12所示，这种构件可包括于构成非接触式感应系统10的控制计算部230。为了方便起见，在图12中以附图标记“210”表示了传感器。传感器210和控制计算部230可形成在一个基板，也可分开形成在多个基板，有时传感器210和控制计算部230的各种功能也可包含在一个模块或者分为多个模块，因此在图12中用附图标记“200”表示，并且记载为基板200。
如上所述，根据本发明的实施例或者本发明的核心思想，无需在基板的原点配置磁传感器，因此有利于空间利用。
根据本发明的另一实施例，能够将磁传感器的个数最少化来感应三维空间的磁场，因此可节省元件成本，并且在适用于移动设备时能够更加节省磁传感器占据的空间。
参考在附图示出的实施例说明了本发明，但是这不过是示例性的，只要是具有本技术领域的常规知识的人可理解为从此实现各种变形及同等的其他实施例。从而，本发明的真正的技术保护范围应由权利要求书的范围的技术思想决定。

Claims (19)

1.一种非接触式磁感应系统，包括：
多个磁传感器，在三维空间中检测一个轴方向的磁场；
旋转磁铁，旋转轴位于所述多个传感器形成的对角线的交叉点或者中心点；
基板，配置有所述多个磁传感器。
2.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述基板为集成电路。
3.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述基板包括一个以上的电子元件及连接该电子元件的连接线。
4.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述旋转磁铁的旋转轴位于所述交叉点的延长线及所述中心点的延长线来代替位于所述交叉点及所述中心点。
5.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述多个传感器分别以所述对角线的交叉点或者所述中心点为中心各保持90度的差异并配置。
6.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述多个传感器的所述对角线的长度分别相同。
7.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述多个磁传感器将通过所述旋转磁铁产生的磁场数据转换为电信号。
8.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述旋转轴为用于表示所述旋转磁铁的旋转的虚拟结构。
9.根据权利要求1所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述基板包括控制计算部，所述控制计算部用于计算由所述多个磁传感器检测的磁场的变化。
10.一种非接触式磁感应系统，包括：
第一传感器，在三维空间中检测一个轴方向的磁场；
第二传感器，以中心点为中心与所述第一传感器间隔90度；
旋转磁铁，旋转轴位于所述中心点；
基板，配置有所述多个磁传感器。
11.根据权利要求10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述基板为集成电路。
12.根据权利要求10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述基板包括一个以上的电子元件及连接该电子元件的连接线。
13.根据权利要求10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述旋转磁铁的旋转轴位于所述中心点的延长线来代替位于所述中心点。
14.根据权利要求10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述多个传感器的与所述中心点的距离相同。
15.根据权利要求10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述多个磁传感器将通过所述旋转磁铁产生的磁场数据转换为电信号。
16.根据权利要求10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述旋转轴为用于表示所述旋转磁铁的旋转的虚拟结构。
17.根据权利要求10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述基板包括控制计算部，所述控制计算部用于计算由所述多个磁传感器检测的磁场的变化。
18.根据权利要求17所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述控制计算部执行信号的放大、过滤、变换、计算、存储动作的至少一种功能。
19.根据权利要求1或10所述的非接触式磁感应系统，其特征在于，
所述多个传感器配置或者安装在相同的平面。
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