TWI842290B

TWI842290B - 位移感測裝置

Info

Publication number: TWI842290B
Application number: TW111149124A
Authority: TW
Inventors: 謝佳致
Original assignee: 愛盛科技股份有限公司
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-05-11

Abstract

一種位移感測裝置，適於感測物體的位移量。位移感測裝置包括磁元件陣列、第一磁感測器、第二磁感測器、第三磁感測器以及計算單元。第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器適於沿行方向相對於磁元件陣列移動，且用以感測磁元件陣列所產生的磁場在列方向及行方向上的分量。在磁元件陣列相對於第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器移動時，計算單元選擇第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器中的其中之一所感測到的訊號計算出物體的位移量。

Description

位移感測裝置

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種位移感測裝置。

由於柔屏技術逐漸成熟，因此市場出現將大尺寸螢幕塞進較小的空間的摺疊或卷軸式智慧型手機。

在實作上，卷軸螢幕需要精準的位移偵測裝置。以智慧型手機為例，系統上大約需要30~50mm的偵測行程需求，且精度需在0.1mm以內。若該技術功效得以實現，其須滿足以下需求。第一，在卷軸機構伸展過程中，螢幕的顯示畫面須能精準地同步變化。第二，系統必須能透過位移變化來進行阻力偵測。以目前市場現有開發的概念機來說，因尚未有成熟的位移偵測能力，所以第一個技術功效仍有困難。而對於第二個技術功效，若系統缺乏阻力回饋機制，卷軸機構在伸縮過程如果受外力拉扯將會造成結構與馬達部件的損壞。然而，因位移偵測尚未成熟，第二個技術功效也仍有困難。因此，對於卷軸式智慧型手機，市場仍處於「概念機」的產品階段。

除上述行程與精度的需求外，對於智慧型手機或筆記型電腦等產品，因系統內部具有大量的電子電機裝置，該磁感測的位移偵測裝置至少需有抗10高斯干擾的能力，並且周圍的磁場要能快速衰減掉，以減少對周圍攝影機或是其他精密電機裝置的干擾。

傳統磁感測的位移偵測裝置在設計上使用一陣列磁鐵，並搭配磁場感測器來感測位移量。然而，這樣的設計在機構上須扣除頭尾邊緣場型較差的區域。也就是說，可用來感測位移的範圍僅只有中間區域，使整體體積無法縮減。

本發明提供一種位移感測裝置，其可在滿足精度要求下，進一步縮減系統體積。

本發明的一實施例提供一種位移感測裝置，其適於感測物體的位移量。位移感測裝置包括磁元件陣列、第一磁感測器、第二磁感測器、第三磁感測器以及計算單元。磁元件陣列包括多個第一磁性元件以及多個第二磁性元件。第一磁性元件以及第二磁性元件沿列方向及行方向交錯排成2×n的矩陣，其中n≥6。第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器設置在磁元件陣列的一側旁，且沿行方向等距排列。第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器適於沿行方向相對於磁元件陣列移動，且用以感測磁元件陣列所產生的磁場在列方向及行方向上的分量。計算單元電性連接至第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器。磁元件陣列或第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器的其中之一與物體連接。在磁元件陣列相對於第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器移動時，計算單元選擇第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器中的其中之一所感測到的訊號計算出物體的位移量。

基於上述，在本發明的一實施例中，在磁元件陣列相對於第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器移動時，計算單元選擇第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器中的其中之一所感測到的訊號計算出物體的位移量，使位移感測裝置對於物體的最大位移感測量大於磁元件陣列的長度。因此，位移感測裝置可在滿足偵測精度的要求下，進一步提高位移的感測範圍，並使體積縮減。

圖1A是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置的俯視示意圖。圖1B是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置的側視示意圖。圖1C是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置與物體連接的示意圖。請參考圖1A至圖1C，本發明的一實施例提供一種位移感測裝置10，其適於感測物體O的位移量。位移感測裝置10包括磁元件陣列100、第一磁感測器200A、第二磁感測器200B、第三磁感測器200C以及計算單元300。

在本實施例中，磁元件陣列100包括多個第一磁性元件100A以及多個第二磁性元件100B。第一磁性元件100A及第二磁性元件100B例如分別是N極及S極磁鐵或S極及N極磁鐵。第一磁性元件100A以及第二磁性元件100B沿列方向R及行方向C交錯排成2×n的矩陣，其中n≥6。在本實施例中，n較佳為偶數。

在本實施例中，第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C可為三軸磁感測器。第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C設置在磁元件陣列100的一側102旁，且沿行方向C等距排列。

在本實施例中，第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C適於沿行方向C相對於磁元件陣列100移動，且用以感測磁元件陣列100所產生的磁場在列方向R及行方向C上的分量。計算單元300電性連接至第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C。磁元件陣列100或第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C的其中之一與物體O連接。在磁元件陣列100相對於第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C移動時，計算單元300選擇第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C中的其中之一所感測到的訊號計算出物體O的位移量。

圖2是根據本發明的一實施例的位移感測裝置的磁感測器所感測到的磁場分量的曲線圖。圖3是根據本發明的一實施例的位移感測裝置所感測到的物體的位移量相對於角度的曲線圖。其中，圖2的橫軸為位移量，縱軸為磁通量，曲線D1可為磁場沿行方向C上的分量Bx，曲線D2可為磁場沿列方向R上的分量By。圖3的橫軸為位移量，縱軸為角度。在圖2中，曲線D1例如是sin函數，曲線D2例如是cos函數。因此，藉由取得上述的分量Bx、By，並藉由公式(1) (1) 可計算出物體O在每一個節距p內的位移量，其中節距p定義為第一磁性元件100A或第二磁性元件100B沿行方向C之間的節距，θ為常數。因此，只要再計算Dpt=m*p+Dp，可取得物體O的位移量，如圖3所示，其中m為磁感測器200A、200B、200C已移動的節距數。在圖3中，將θ選擇為π，使曲線圖的週期為0至2π。

詳細來說，在本實施例中，磁元件陣列100在側102上形成感測磁場區。感測磁場區包括工作區WR以及非工作區NR。其中，工作區WR在磁元件陣列100的側102上的投影落在第一磁性元件100A以及第二磁性元件100B在行方向C上所排成的陣列除了頭、尾各p的範圍內，且非工作區NR在磁元件陣列100的側102上的投影落在第一磁性元件100A以及第二磁性元件100B在行方向C上所排成的陣列的頭、尾各p的範圍。也就是說，第一磁性元件100A以及第二磁性元件100B所排成的陣列在行方向C上的總長度為(n/2)*p，其中工作區WR是感測磁場區中間((n/2)-2)*p的範圍。

以圖1B為例，n=8。因此，第一磁性元件100A以及第二磁性元件100B所排成的陣列在行方向C上的總長度為4p，工作區為感測磁場區中間2p的範圍。

在本實施例中，計算單元300所選擇用於計算物體O的位移量的第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C中的該其中之一的感測中心C1、C2、C3位在工作區WR內。也就是說，第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C或磁元件陣列100的最大位移量較佳是受限於「第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C沿行方向C相對於磁元件陣列100移動時，至少有一個磁感測器200A、200B、200C位在工作區WR區內」的條件。因此，在一較佳的實施例中，位移感測裝置10的最大位移感測量為(n-2)*p。

以圖1B為例，n=8。因此，位移感測裝置10的最大位移感測量為6p。

圖4是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置中，磁感測器相對於磁元件陣列移動的示意圖。請參考圖4，在本實施例中，在第一磁感測器200A及第二磁感測器200B的感測中心C1、C2同時位在工作區WR內，並且第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C朝行方向C（也是第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C的排列方向）相對於磁元件陣列100移動時，計算單元300選擇第一磁感測器200A所感測到的訊號計算物體O的位移量。此外，在第一磁感測器200A及第二磁感測器200B的感測中心C1、C2同時位在工作區WR內，並且第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C朝相反於行方向C的方向相對於磁元件陣列100移動時，計算單元300選擇第二磁感測器200B所感測到的訊號計算物體O的位移量。

同理，在本實施例中，在第二磁感測器200B及第三磁感測器200C的感測中心C2、C3同時位在工作區WR內，並且第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C朝行方向C相對於磁元件陣列100移動時，計算單元300選擇第二磁感測器200B所感測到的訊號計算物體O的位移量。此外，在第二磁感測器200B及第三磁感測器200C的感測中心C2、C3同時位在工作區WR，並且第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C朝相反於行方向C的方向相對於磁元件陣列100移動時，計算單元300選擇第三磁感測器200C所感測到的訊號計算物體O的位移量。

以圖1B變化至圖4為例，在圖1B中，只有第二磁感測器200B位在工作區WR，因此，計算單元300選擇第二磁感測器200B所感測到的訊號計算物體O的位移量。當第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C持續朝右方移動，且第一磁感測器200A也進入工作區WR時，以接力賽的設計方式，此時計算單元300選擇第一磁感測器200A所感測到的訊號計算物體O的位移量。

在本實施例中，第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C沿行方向C排列的間距p’小於n*p/4。以圖1B為例，n=8。因此，第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C沿行方向C排列的間距p’小於2p。

在一實施例中，計算單元300例如是包括中央處理單元（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，計算單元300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單元中，由計算單元300來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，計算單元300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計算單元300的各功能。

基於上述，在本發明的一實施例中，位移感測裝置10包括磁元件陣列100、第一磁感測器200A、第二磁感測器200B、第三磁感測器200C及計算單元300。在磁元件陣列100相對於第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C移動時，計算單元300選擇第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C中的其中之一所感測到的訊號計算出物體O的位移量，使位移感測裝置10對於物體O的最大位移感測量大於磁元件陣列100的長度。因此，位移感測裝置10可在滿足偵測精度的要求下，進一步提高位移的感測範圍。也就是說，在相同的可感測範圍的條件，位移感測裝置10可進一步將體積縮減。

除此之外，在本發明的一實施例中，上述磁元件陣列100中磁性元件100A、100B排列的行方向C與列方向R不限制為直線。例如，行方向C與列方向R也可為圓弧形或其他線型。因此，位移感測裝置10可靈活地應用在各種電子產品中。而當位移感測裝置10滿足「第一磁感測器200A、第二磁感測器200B及第三磁感測器200C沿行方向C排列的間距p’小於n*p/4」的條件時，系統可具有磁感測器200A、200B或200B、200C同時位在工作區WR內情況。因此，感測區域重疊的範圍可作為資料交接區，進而提高偵測精度。

圖5是根據本發明的第二實施例的位移感測裝置的部分示意圖。為方便示意，圖5僅繪示位移感測裝置中的磁元件陣列100及導磁性材料層400，其餘的部分與圖1B相似。請參考圖5，本發明第二實施例的位移感測裝置與位移感測裝置10大致相同，其主要差異如下。在本實施例中，位移感測裝置更包括導磁性材料層400，包覆在磁元件陣列100的其餘側上。

圖6是根據本發明的第二實施例的位移感測裝置中的磁元件陣列所產生的磁場相對於距離的曲線圖。在圖6中，橫軸為距離（mm），縱軸為磁通量（高斯），範圍E1為磁元件陣列100在列方向R上的設置範圍，範圍E2為導磁性材料層400的設置範圍。其中，在範圍E1左方為朝磁元件陣列100的側102的方向，也就是前述的感測磁場區。在範圍E2右方為背對感測磁場區。在本發明的一實施例中，由於位移感測裝置設有包覆在磁元件陣列100的導磁性材料層400，因此，位移感測裝置在背對感測磁場區的磁場可隨距離快速的衰減。當位移感測裝置應用在其他電子產品時，位移感測裝置可滿足系統抗磁場干擾的要求。而本發明實施例的位移感測裝置的其餘優點相似於位移感測裝置10，在此不再贅述。

綜上所述，在本發明的一實施例中，位移感測裝置被設計為：在磁元件陣列相對於第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器移動時，計算單元選擇第一磁感測器、第二磁感測器及第三磁感測器中的其中之一所感測到的訊號計算出物體的位移量，使位移感測裝置對於物體的最大位移感測量大於磁元件陣列的長度。因此，位移感測裝置可在滿足偵測精度的要求下，進一步提高位移的感測範圍。也就是說，在相同的可感測範圍的條件，位移感測裝置可進一步將體積縮減。

10:位移感測裝置 100:磁元件陣列 102:側 100A:第一磁性元件 100B:第二磁性元件 200A:第一磁感測器 200B:第二磁感測器 200C:第三磁感測器 300:計算單元 400:導磁性材料層 C:行方向 C1、C2、C3:感測中心 D1、D2:曲線 E1、E2:範圍 NR:非工作區 p:節距 p’:間距 R:列方向 WR:工作區

圖1A是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置的俯視示意圖。圖1B是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置的側視示意圖。圖1C是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置與物體連接的示意圖。圖2是根據本發明的一實施例的位移感測裝置的磁感測器所感測到的磁場分量的曲線圖。圖3是根據本發明的一實施例的位移感測裝置所感測到的物體的位移量相對於角度的曲線圖。圖4是根據本發明的第一實施例的位移感測裝置中，磁感測器相對於磁元件陣列移動的示意圖。圖5是根據本發明的第二實施例的位移感測裝置的部分示意圖。圖6是根據本發明的第二實施例的位移感測裝置中的磁元件陣列所產生的磁場相對於距離的曲線圖。

10:位移感測裝置

100:磁元件陣列

102:側

100A:第一磁性元件

100B:第二磁性元件

200A:第一磁感測器

200B:第二磁感測器

200C:第三磁感測器

300:計算單元

C:行方向

C1、C2、C3:感測中心

NR:非工作區

p:節距

p’:間距

R:列方向

WR:工作區

Claims

一種位移感測裝置，適於感測一物體的位移量，包括：一磁元件陣列，包括多個第一磁性元件以及多個第二磁性元件，該些第一磁性元件以及該些第二磁性元件沿一列方向及一行方向交錯排成2×n的矩陣，其中n
6；一第一磁感測器、一第二磁感測器及一第三磁感測器，設置在該磁元件陣列的一側旁，且沿該行方向等距排列，該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器適於沿該行方向相對於該磁元件陣列移動，且用以感測該磁元件陣列所產生的磁場在該列方向及該行方向上的分量；以及一計算單元，電性連接至該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器，其中該磁元件陣列或該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器的其中之一與該物體連接，在該磁元件陣列相對於該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器移動時，該計算單元選擇該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器中的其中之一所感測到的訊號計算出該物體的該位移量。
如請求項1所述的位移感測裝置，其中該磁元件陣列在該側上形成感測磁場區，該感測磁場區包括一工作區以及一非工作區，其中該工作區在該磁元件陣列的該側上的投影落在該些第一磁性元件以及該些第二磁性元件在該行方向上所排成的陣列除了頭、尾各p的範圍內，該非工作區在該磁元件陣列的該側上的投影落在該些第一磁性元件以及該些第二磁性元件在該行方向上所排成的陣列的頭、尾各p的範圍，且p為該些第一磁性元件或該些第二磁性元件沿該行方向之間的節距。
如請求項2所述的位移感測裝置，其中該計算單元所選擇用於計算該物體的該位移量的該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器中的該其中之一的感測中心位在該工作區內。
如請求項3所述的位移感測裝置，其中在該第一磁感測器及該第二磁感測器的感測中心同時位在該工作區內，並且該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器朝該行方向相對於該磁元件陣列移動時，該計算單元選擇該第一磁感測器所感測到的訊號計算該物體的該位移量；以及在該第一磁感測器及該第二磁感測器的感測中心同時位在該工作區內，並且該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器朝相反於該行方向的方向相對於該磁元件陣列移動時，該計算單元選擇該第二磁感測器所感測到的訊號計算該物體的該位移量。
如請求項3所述的位移感測裝置，其中在該第二磁感測器及該第三磁感測器的感測中心同時位在該工作區內，並且該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器朝該行方向相對於該磁元件陣列移動時，該計算單元選擇該第二磁感測器所感測到的訊號計算該物體的該位移量；以及在該第二磁感測器及該第三磁感測器的感測中心同時位在該工作區內，並且該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器朝相反於該行方向的方向相對於該磁元件陣列移動時，該計算單元選擇該第三磁感測器所感測到的訊號計算該物體的該位移量。
如請求項1所述的位移感測裝置，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器為三軸磁感測器。
如請求項1所述的位移感測裝置，其中該位移感測裝置的最大位移感測量為(n-2)*p，其中p為該些第一磁性元件或該些第二磁性元件沿該行方向之間的節距。
如請求項1所述的位移感測裝置，其中n為偶數。
如請求項1所述的位移感測裝置，其中該第一磁感測器、該第二磁感測器及該第三磁感測器沿該行方向排列的間距小於n*p/4，其中p為該些第一磁性元件或該些第二磁性元件沿該行方向之間的節距。
如請求項1所述的位移感測裝置，更包括：一導磁性材料層，包覆在該磁元件陣列的其餘側上。