TW202016496A - 角度感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種角度感測裝置，包括一第一物體、一第二物體、一磁場源及一第一磁感測器。第二物體適於相對於第一物體轉動，以使得第二物體相對於第一物體的傾斜角產生變化。磁場源連接至第二物體。第一磁感測器連接至第一物體，且用以感測磁場源所產生的磁場。當第二物體相對於第一物體轉動時，第一磁感測器所感測到的磁場產生變化，而使得第一磁感測器之對應於磁場的輸出訊號產生變化。

Description

角度感測裝置

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種角度感測裝置。

角度感測技術（angle sensing technology）已被廣泛地應用於消費性電子產品、工業自動化、汽車及航太領域。角度感測可分為接觸式與非接觸式角度感測。非接觸式角度感測的主要優點是不會產生磨損，因此在長期使用下仍能提供可信賴的效能。

磁感測式非接觸式角度感測是主要的角度感測技術之一，且廣泛應用於各種領域，其具有抗環境干擾（如抗塵、抗油污、抗機械振動等）的顯著效果。

在傳統的磁感測式角度感測技術中，是將磁感測器與磁鐵或磁編碼器（magnetic encoder）設置於轉軸中，這種旋轉角度監控的方法廣泛地被應用於工業或汽車領域。然而，在轉軸中不允許裝設感測器的應用中，上述的磁感測式角度感測技術便無法派上用場。

本發明提供一種角度感測裝置，其可以實現不將感測器安裝於轉軸的角度感測。

本發明的一實施例提出一種角度感測裝置，包括一第一物體、一第二物體、一磁場源及一第一磁感測器。第二物體適於相對於第一物體轉動，以使得第二物體相對於第一物體的傾斜角產生變化。磁場源連接至第二物體。第一磁感測器連接至第一物體，且用以感測磁場源所產生的磁場。當第二物體相對於第一物體轉動時，第一磁感測器所感測到的磁場產生變化，而使得第一磁感測器之對應於磁場的輸出訊號產生變化。

在本發明的實施例的角度感測裝置中，採用了將第一磁感測器與磁場源分別連接至第一物體與第二物體，且利用第一磁感測器感測磁場源所產生的磁場的變化的方式來測得第一物體與第二物體之間的角度。因此，本發明的實施例的角度感測裝置可以實現不將磁感測器安裝於轉軸的角度感測。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明的一實施例的角度感測裝置的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的角度感測裝置100包括一第一物體110、一第二物體120、一磁場源130及一第一磁感測器140。第二物體120適於相對於第一物體110轉動，以使得第二物體120相對於第一物體110的傾斜角θ產生變化。在本實施例中，第一物體110與第二物體120為二個基板，其例如分別為筆記型電腦的底座與上蓋（例如螢幕），或為其他裝置的兩個可以相對轉動的部件。

磁場源130連接至第二物體120。第一磁感測器140連接至第一物體110，且用以感測磁場源130所產生的磁場。在本實施例中，磁場源130例如是永久磁鐵（permanent magnet）或電磁鐵（electric magnet）。本實施例是以磁場源130配置於第二物體120中為例，但在其他實施例中，磁場源130亦可以配置於第二物體120的表面上。此外，本實施例是以第一磁感測器140配置於第一物體110中為例，但在其他實施例中，第一磁感測器140亦可以配置於第一物體110的表面上。

當第二物體120相對於第一物體110轉動時，第一磁感測器140所感測到的磁場源130所產生的磁場產生變化，而使得第一磁感測器140之對應於此磁場的輸出訊號產生變化。如此一來，便能夠根據輸出訊號來判斷出傾斜角θ的大小。

在本實施例的角度感測裝置100中，採用了將第一磁感測器140與磁場源130分別連接至第一物體110與第二物體120，且利用第一磁感測器140感測磁場源130所產生的磁場的變化的方式來測得第一物體110與第二物體120之間的角度。因此，本實施例的角度感測裝置100可以實現不將磁感測器安裝於轉軸的角度感測。

在本實施例中，角度感測裝置100更包括一第二磁感測器150，連接至第一物體110，且用以感測磁場源130所產生的磁場。由於第二磁感測器150在第一物體110上的位置不同於第一磁感測器140在第一物體110上的位置，因此當第二物體120相對於第一物體110轉動時，第一磁感測器140所感測到的磁場變化不同於第二磁感測器150所感測到的磁場變化。本實施例是以第二磁感測器150配置於第一物體110中為例，但在其他實施例中，第二磁感測器150亦可以配置於第一物體110的表面上。

在本實施例中，角度感測裝置100更包括一轉動機構160，連接第一物體110與第二物體120，其中第二物體120藉由轉動機構160相對於第一物體110旋轉，且第一磁感測器140、第二磁感測器150及磁場源130皆配置於轉動機構160之外。在本實施例中，轉動機構160為具有相連的多軸162的轉動機構，其中這些軸162平行於第三方向D3，其垂直於傾斜角θ展開的方向。然而，在另一實施例中，如圖2所繪示，角度感測裝置100a的轉動機構160a可以是單軸的轉動機構，也就是單一的旋轉軸。此外，在其他實施例中，轉動機構160也可以是可變形的部件，例如是可改變彎曲形狀的部件，而使得第二物體120相對於第一物體110的傾斜角θ可以產生變化。或者，轉動機構160可以是任何使傾斜角θ可以發生變化的機構。

在本實施例中，第一磁感測器140與第二磁感測器150分別位於一第一參考平面P1上與一第二參考平面P2上，且磁場源130位於一第三參考平面P3上。第一參考平面P1、第二參考平面P2及第三參考平面P3均平行於第二物體120相對於第一物體110轉動的轉軸，也就是平行於第三方向D3。第一參考平面P1平行於第二參考平面P2，且當第二物體120相對於第一物體110轉動時，第三參考平面P3相對於第一參考平面P1的傾斜角（相當於傾斜角θ）產生變化。在本實施例中，角度感測裝置100可視為處於由第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3所建構出的空間中，其中第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3彼此互相垂直，且第一參考平面P1平行於第二方向D2與第三方向D3所建構出的平面。

在本實施例中，第二磁感測器150在第一參考平面P1上的正投影不與第一磁感測器140重疊。此外，在本實施例中，第二磁感測器150在第一參考平面P1上的正投影與轉軸（即第二物體120相對於第一物體110轉動的轉軸）的距離不同於第一磁感測器140與此轉軸的距離。也就是說，第一磁感測器140與第二磁感測器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，如此一來，當第二物體120相對於第一物體110轉動時，第一磁感測器140所感測到的磁場變化便可以不同於第二磁感測器150所感測到的磁場變化。

第一磁感測器140與第二磁感測器150可為單軸磁感測器、多軸磁感測器或其組合。在本實施例中，第一磁感測器140與第二磁感測器150是以單軸磁感測器為例，其可以感測第二方向D2上的磁場分量。而多軸磁感測器例如是雙軸磁感測器或三軸磁感測器，其例如可以感測第一方向D1、第二方向D2與第三方向D3中的任二個方向的磁場分量，或感測第一方向D1、第二方向D2與第三方向D3的磁場分量。

圖3A、圖3B、圖3C、圖3D及圖3E分別繪示圖1中的第二物體相對於第一物體的傾斜角在0度、90度、180度、270度及360度時角度感測裝置的狀態簡圖。圖4為圖1之角度感測裝置中的第一磁感測器與第二磁感測器的輸出電壓相對於第二物體相對於第一物體的傾斜角的關係曲線圖。請先參照圖3A，當第二物體120相對於第一物體110的傾斜角θ為0度時，磁場源130的N極朝向第一方向D1，S極朝向第一方向D1的反方向，第一物體110位於第二物體120下方，第一物體110與第二物體120的長軸互相平行，此時主要磁場分量在第一方向D1上，而由於第一磁感測器140與第二磁感測器150的配置位置之不同，第一磁感測器140處的磁場與第二磁感測器150處的磁場存在磁場強度差。

請再參照圖3B，當第二物體120相對於第一物體110的傾斜角θ為90度時，磁場源130的N極朝向第二方向D2，S極朝向第二方向D2的反方向，第一物體110的長軸垂直於第二物體120的長軸，由第一磁感測器140與第二磁感測器150所感測的主要磁場分量在第二方向D2的反方向。由於第一磁感測器140與第二磁感測器150的配置位置之不同，第一磁感測器140處的磁場與第二磁感測器150處的磁場存在磁場強度差。

請參照圖3C，當第二物體120相對於第一物體110的傾斜角θ為180度時，磁場源130的S極朝向第一方向D1，N極朝向第一方向D1的反方向，第一物體110的長軸平行於第二物體120的長軸，且第一物體110位於第二物體120的左側，第一磁感測器140與第二磁感測器150所感測的主要磁場分量落在第一方向D1。由於第一磁感測器140與第二磁感測器150的配置位置之不同，第一磁感測器140處的磁場與第二磁感測器150處的磁場存在磁場強度差。

請參照圖3D，當第二物體120相對於第一物體110的傾斜角θ為270度時，第一物體110的長軸垂直於第二物體120的長軸，磁場源130的S極朝向第二方向D2，N極朝向第二方向D2的反方向，第一磁感測器140與第二磁感測器150所感測到的主要磁場分量在第二方向D2。由於第一磁感測器140與第二磁感測器150的配置位置之不同，第一磁感測器140處的磁場與第二磁感測器150處的磁場存在磁場強度差。

請參照圖3E，當第二物體120相對於第一物體110的傾斜角θ為360度時，第二物體120的長軸平行於第一物體110的長軸，第二物體120在第一物體110的下方，第一磁感測器140與第二磁感測器150所感測到的主要磁場分量在第一方向D1上。由於第一磁感測器140與第二磁感測器150的配置位置之不同，第一磁感測器140處的磁場與第二磁感測器150處的磁場存在磁場強度差。

在圖3A中，磁場源130的N極與S極是呈垂直擺放，然而，在其他實施例中，磁場源130的N極與S極也可以是呈水平擺放、傾斜擺放或以其他適當的方式擺放。

請再參照圖4，在圖4中，標示「140 D2」的曲線代表第一磁感測器140感測到的第二方向D2上的磁場分量所對應輸出的輸出電壓相對於傾斜角θ的關係曲線，而標示「150 D2」的曲線代表第二磁感測器150感測到的第二方向D2上的磁場分量所對應輸出的輸出電壓相對於傾斜角θ的關係曲線。由圖4可發現，第一磁感測器140在傾斜角θ為0度到90度及270度到360度時有較高的敏感度（sensitivity）（因為此時曲線的斜率較大），而第二磁感測器150在傾斜角θ為90度到270度時有較高的敏感度。

在本實施例中，角度感測裝置170更包括一控制器170，電性連接至第一磁感測器140與第二磁感測器150。控制器170可根據第一磁感測器140與第二磁感測器150的輸出電壓來決定角度感測裝置170所測得的傾斜角θ的大小。在一實施例中，控制器170可交替運用第一磁感測器140與第二磁感測器150的輸出電壓來決定傾斜角θ的大小。舉例而言，傾斜角θ為0度到90度及270度到360度是第一磁感測器140的敏感區域，而傾斜角θ為90度到270度是第二磁感測器150的敏感區域，而控制器170可根據傾斜角θ是若在哪個感測器的敏感區域來決定採用該感測器的輸出電壓大小來決定所測得的傾斜角θ的大小。也就是說，若第一磁感測器140與第二磁感測器150所測得的輸出電壓所對應的傾斜角θ是若在0度到90度或270度到360度時，則控制器170採用第一磁感測器140的輸出電壓來決定所測得的傾斜角θ的大小。反之，若第一磁感測器140與第二磁感測器150所測得的輸出電壓所對應的傾斜角θ是若在90度到270度時，則控制器170採用第二磁感測器150的輸出電壓來決定所測得的傾斜角θ的大小。

在一實施例中，控制器170例如為中央處理單元（central processing unit, CPU)、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置（programmable logic device, PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，控制器170的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由控制器170來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器170的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作控制器170的各功能。

圖5為本發明的另一實施例的角度感測裝置的剖面示意圖，而圖6為圖5之角度感測裝置中的第一磁感測器的輸出電壓相對於第二物體相對於第一物體的傾斜角的關係曲線圖。請先參照圖5，本實施例的角度感測裝置100b類似於圖1的角度感測裝置100，而兩者的主要差異如下所述。本實施例的角度感測裝置100b具有第一磁感測器140，但不具有如圖1之第二磁感測器150。也就是說，在本實施例中，角度感測裝置100b具有單一的磁感測器（即第一磁感測器140），而第一磁感測器140可為多軸磁感測器（例如為雙軸磁感測器或三軸磁感測器）或單軸磁感測器。

此外，第一磁感測器140與磁場源130皆配置於轉動機構160之外，且控制器170電性連接至第一磁感測器140。在圖6中，標示「140 D2」的曲線代表第一磁感測器140感測到的第二方向D2上的磁場分量所對應輸出的輸出電壓相對於傾斜角θ的關係曲線。由圖6可知，第一磁感測器140對第二方向D2上的磁場分量的敏感度在傾斜角於0度到90度及270度到360度的時候較高，且敏感度在傾斜角於90度到270度時較低。因此，第一磁感測器140可採用雙軸的磁感測器，其例如可以感測第一方向D1及第二方向D2等雙軸向的磁場分量，而控制器170在傾斜角θ於0度到90度或270度到360度時採用感測第二方向D2的磁場分量所對應輸出的電壓訊號來決定傾斜角θ的大小，且控制器170在傾斜角θ於90度至270度時採用感測第一方向D1的磁場分量所對應輸出的電壓訊號來決定傾斜角θ的大小。

或者，在另一實施例中，第一磁感測器140也可以是採用單軸的磁感測器，例如是感測第二方向D2上的磁場分量的磁感測器，而在傾斜角θ於90至270度時雖然第一磁感測器140的敏感度較低，但仍可以作精確度稍低的感測，而得到精確度稍低的傾斜角θ的大小。

綜上所述，在本發明的實施例的角度感測裝置中，採用了將第一磁感測器與磁場源分別連接至第一物體與第二物體，且利用第一磁感測器感測磁場源所產生的磁場的變化的方式來測得第一物體與第二物體之間的角度。因此，本發明的實施例的角度感測裝置可以實現不將磁感測器安裝於轉軸的角度感測。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、100a、100b:角度感測裝置 110:第一物體 120:第二物體 130:磁場源 140:第一磁感測器 150:第二磁感測器 160、160a:轉動機構 162:軸 170:控制器 θ:傾斜角 D1:第一方向 D2:第二方向 D3:第三方向 N:N極 P1:第一參考平面 P2:第二參考平面 P3:第三參考平面 S:S極

圖1為本發明的一實施例的角度感測裝置的剖面示意圖。 圖2為本發明的另一實施例的角度感測裝置的剖面示意圖。 圖3A、圖3B、圖3C、圖3D及圖3E分別繪示圖1中的第二物體相對於第一物體的傾斜角在0度、90度、180度、270度及360度時角度感測裝置的狀態簡圖。 圖4為圖1之角度感測裝置中的第一磁感測器與第二磁感測器的輸出電壓相對於第二物體相對於第一物體的傾斜角的關係曲線圖。 圖5為本發明的另一實施例的角度感測裝置的剖面示意圖。 圖6為圖5之角度感測裝置中的第一磁感測器的輸出電壓相對於第二物體相對於第一物體的傾斜角的關係曲線圖。

100:角度感測裝置

110:第一物體

120:第二物體

130:磁場源

140:第一磁感測器

150:第二磁感測器

160:轉動機構

162:軸

170:控制器

θ:傾斜角

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

P1:第一參考平面

P2:第二參考平面

P3:第三參考平面

Claims (11)

1. 一種角度感測裝置，包括： 一第一物體； 一第二物體，適於相對於該第一物體轉動，以使得該第二物體相對於該第一物體的傾斜角產生變化； 一磁場源，連接至該第二物體；以及 一第一磁感測器，連接至該第一物體，且用以感測該磁場源所產生的磁場， 其中，當該第二物體相對於該第一物體轉動時，該第一磁感測器所感測到的該磁場產生變化，而使得該第一磁感測器之對應於該磁場的輸出訊號產生變化。
2. 如申請專利範圍第1項所述的角度感測裝置，更包括一轉動機構，連接該第一物體與該第二物體，其中該第二物體藉由該轉動機構相對於該第一物體旋轉，且該第一磁感測器與該磁場源配置於該轉動機構之外。
3. 如申請專利範圍第1項所述的角度感測裝置，更包括一第二磁感測器，連接至該第一物體，且用以感測該磁場源所產生的磁場，其中當該第二物體相對於該第一物體轉動時，該第一磁感測器所感測到的磁場變化不同於該第二磁感測器所感測到的磁場變化。
4. 如申請專利範圍第3項所述的角度感測裝置，該第一磁感測器與該第二磁感測器分別位於一第一參考平面上與一第二參考平面上，且該磁場源位於一第三參考平面上，該第一參考平面、該第二參考平面及該第三參考平面均平行於該第二物體相對於該第一物體轉動的轉軸，該第一參考平面平行於該第二參考平面，且當該第二物體相對於該第一物體轉動時，該第三參考平面相對於該第一參考平面的傾斜角產生變化。
5. 如申請專利範圍第4項所述的角度感測裝置，其中該第二磁感測器在該第一參考平面上的正投影不與該第一磁感測器重疊。
6. 如申請專利範圍第5項所述的角度感測裝置，其中該第二磁感測器在該第一參考平面上的該正投影與該轉軸的距離不同於該第一磁感測器與該轉軸的距離。
7. 如申請專利範圍第3項所述的角度感測裝置，更包括一轉動機構，連接該第一物體與該第二物體，其中該第二物體藉由該轉動機構相對於該第一物體旋轉，且該第一磁感測器、該第二磁感測器與該磁場源配置於該轉動機構之外。
8. 如申請專利範圍第3項所述的角度感測裝置，其中該第一磁感測器與該第二磁感測器為單軸磁感測器、多軸磁感測器或其組合。
9. 如申請專利範圍第1項所述的角度感測裝置，其中該第一磁感測器為多軸磁感測器。
10. 如申請專利範圍第1項所述的角度感測裝置，其中該第一物體與該第二物體為二個基板。
11. 如申請專利範圍第1項所述的角度感測裝置，其中該磁場源為永久磁鐵或電磁鐵。

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