非接触式磁感应系统及感应方法与流程

1.本发明涉及非接触式磁感应系统及感应方法，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及感应方法。


背景技术：

2.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。
3.以下，对于发明的背景技术进行说明。
4.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。
5.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。若旋转磁铁以轴中心进行旋转，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轴成分不变。
6.因此，旋转是从0度至360度为旋转一圈，而且在旋转轴与z轴的延长线一致的情况下，即同轴(on-axis)的情况下，磁场的大小发生变化，此时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)表示，而z轴成分没有变化。如上所述的各轴的波形变化已在图4示出。在图4的波形图中，水平轴表示旋转角度，垂直轴表示磁场大小，即磁力。这种曲线图可利用磁传感器(例如，利用霍尔(hall)效应的霍尔传感器)检测。以供参考，同轴是指除了z轴的延长线以外的x轴或y轴的延长线与旋转磁铁的旋转轴一致的情况的统称，但是为了便于说明，用z轴进行说明。
7.磁力的变化检测是通过位于相同点的磁传感器执行。例如，各个轴方向的磁力大小是通过位于相同点且检测各个轴方向的磁场的三种传感器，即x传感器、y传感器及z传感器检测。通过这三种传感器可在三维空间中检测磁场，因此方便起见，将这些传感器也称为三维传感器。如图5示例所示，假设旋转磁铁位于原点，而且在原点有测量各个轴方向的磁场的三种传感器时，传感器检测根据磁铁的旋转运动的三维磁场矢量值。在矢量值可包括磁场的振幅和相位。
8.在旋转轴和坐标系的原点的z轴延长线一致的情况下，即同轴(on-axis)的情况下，可如图6所示以三个角度图示出磁场的各个轴成分的相对比例。尤其是，在表示磁场的x
轴成分和y轴成分的角度图(x-y图)中，图的值与旋转磁铁和x轴构成的角度相同。在图6示出的角度图中，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]表达表示振幅比的[x,y]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。
[0009]
在同轴(on-axis)的情况下，如图6所示，x-y角度图形成以中心点为原点的完整的圆形，这是因为x轴成分和y轴成分的磁场最大值、最小值相互相同，只是在相位存在差异。而z成分的磁场不存在或者恒定，因此x-z及y-z角度图形成直线形状。
[0010]
通常，在利用磁传感器检测运动时，如图6所示，将旋转磁铁同轴地位于磁传感器上部，由磁传感器读取通过磁体旋转引起的磁通方向的变化。传统上，当这种感应技术适用于移动设备等时，大部分是磁传感器与后续电路一同包括在基板或半导体集成电路内部。因此，旋转磁铁也同轴地位于半导体集成电路的上部。
[0011]
然而，这导致磁铁的固定物和旋转轴不一致并且占据了大量的高度空间，因此存在不利于适用于逐渐变得轻、薄、小的移动设备的缺点。因此，将旋转磁铁的位置配置在更自由的位置而不是限制在集成电路的上部的必要性逐渐增加。
[0012]
(现有技术文献)
[0013]
(专利文献)
[0014]
专利文献：美国授权专利号10,551,222b2(2020.02.04)


技术实现要素：

[0015]
(要解决的问题)
[0016]
本发明要解决的技术课题在于提供一种非接触式磁感应系统及感应方法，将旋转磁铁不受包括磁传感器的集成电路或者基板位置的限制地自由配置，进而提高贴装性和部件配置自由度。
[0017]
本发明要解决的技术课题在于，使旋转磁铁的旋转轴能够脱离磁传感器的中心部并配置，进而提高电子元件的空间自由度。
[0018]
(解决问题的手段)
[0019]
根据本发明的一实施例，非接触式磁感应系统包括：磁传感器，感应三轴方向的磁场；延长线，以配置有所述磁传感器的原点的三轴方向延长；旋转磁铁，具有与所述延长线离开的旋转轴；基板，配置有所述磁传感器。
[0020]
根据本发明的一实施例，非接触式磁感应方法包括：旋转磁铁以旋转轴为中心进行旋转的步骤；检测传感器所在的原点的两个轴方向磁场的感应步骤；基于在所述感应步骤检测到的信息提取参数的步骤；根据所述参数变换所述检测到的信息的步骤；通过所述变换提取旋转角的步骤。
[0021]
(发明的效果)
[0022]
根据本发明的实施例，在安装有磁传感器的基板上部离开地配置旋转磁铁，进而节省空间，并且作为电子元件具有优秀的安装性。
附图说明
[0023]
图1示出了旋转磁铁及其坐标系。
[0024]
图2示出了侧视旋转磁铁的磁场方向。
[0025]
图3是俯视的旋转磁铁及其坐标系。
[0026]
图4分别示出了通过旋转磁铁产生的磁场的三维轴成分。
[0027]
图5示出了同轴的情况。
[0028]
图6示出了在同轴情况下的角度图。
[0029]
图7示出了离轴的情况。
[0030]
图8示出了在可出现离轴的各轴之间的角度图。
[0031]
图9示出了在离轴角度图中外部磁场影响离轴。
[0032]
图10示出了旋转磁铁的旋转轴离开安装有传感器的基板的中心点的离轴的一示例。
[0033]
图11示例了在离轴的情况下的角度图的变换的变换。
[0034]
图12示例了在离轴的情况下角度图的变换的变换的另一示例。
[0035]
图13示出了非接触式磁感应系统。
[0036]
(附图标记说明)
[0037]
10：非接触式旋转磁传感器系统
[0038]
100：旋转磁铁
[0039]
200：基板
[0040]
210：磁传感器
[0041]
230：控制计算部
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
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。
[0044]
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。
[0045]
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。
[0046]
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。
[0047]
另外，在本发明的说明书全文中，“原点”或者“中心点”的含义是指磁传感器所存在的点，以测量在三维空间中的磁场的强度，是用于为了方便起见而以“原点”为中心说明三维空间的。
[0048]
另外，在本发明中，轴的延长线是用于说明三维空间的，可以是假设传感器所在的点为原点的虚拟的线。
[0049]
在本发明中，与以往不同，从传感器所在的中心点向三轴方向延伸的延长线中任意一条延长线和旋转磁铁的旋转中心轴并非一致而是相互离开。在本发明的说明书全文中，为了方便起见，称之为“离轴(off-axis)”。以供参考，“离轴”也是指除了z轴延长线以外的x轴或者y轴的延长线与旋转磁铁的旋转轴不一致的情况的统称，在本发明中，为了便于说明，只用z轴进行说明。
[0050]
本发明的发明人在以该离轴配置旋转磁铁的情况下通过适当的检测和适当的坐标变换也未发现功能上的问题。
[0051]
图7示例性示出了可实现本发明的各种实施例中的一部分。如图7所示，旋转磁铁100的旋转轴是与从传感器的中心点，即三维坐标系的原点开始的轴方向的延长线离开配置。须注意的是，旋转磁铁的旋转轴只是要表示磁铁的旋转中心，也可以是虚拟的，实际上并不存在。三维坐标系的原点是指感应三维磁场的三轴磁传感器聚集在一起所处的点，因此如本发明是离轴(off-axis)的情况下，x轴方向的磁场和y轴方向的磁场的强度相对不同。不同的程度取决于离开的程度。因此，x-y图脱离圆形变为椭圆形，x轴成分、y轴成分及z轴成分的磁场的最大值全部可以不同。若旋转磁铁100的旋转轴脱离z轴或者该z轴的延长线(离轴)，则z轴的磁场成分不再是0，因此开始被位于原点的z传感器检测。因此，如图8所示，z轴介入的两个图，即z-x图和z-y图，尽管尺寸小，但显示为椭圆形。
[0052]
角度图是指在三维空间的三个轴中任意的两个轴构成的平面上的磁场的强度，例如，若角度图的两个轴为x、y，则是指在x-y平面上检测的磁场的x轴成分和y轴成分。
[0053]
在放在三维空间的原点的磁传感器除了由旋转磁铁产生的磁场以外，还介入外部的其他磁场可造成影响。外部的磁场是指通过其他设备产生的磁场或者因为其他原因产生的磁场。此时的角度图如图9所示，椭圆的中心点脱离图的原点表示为偏移(offset)。偏移的程度比例于外部磁场的干涉程度，若干涉程度恒定，则该偏移也恒定。在x-y图中的偏移可参考xoffset＝(xmax xmin)/2、yoffset＝(ymax ymin)/2求得。其他z-y、z-x图的偏移也可与此类似地求得。
[0054]
在本发明的离轴的情况下，磁场的各个轴方向成分以360度为周期发生变化。对此，在存在偏移的情况下也是如此。
[0055]
因为上述罗列的离轴的特征可从椭圆形的角度图恢复成圆形或者接近圆形的形状的角度图。恢复通过以下的行列式从原点和椭圆的中心点之间的距离变换并换算：
[0056]
(公式1)
[0057]
在此，是变换为圆形的值，是椭圆形的值。是参数。最佳的变换是使x轴和y轴的磁场的最大值相同。此时，通过变换新生成的值在-1和1之间归一化(normalized)，从而变换的图变为圆形。变为圆形的图即表示旋转磁铁100与x轴构成的角度。如图10所示，根据需求，旋转磁铁的位置也可在与所述基板的高度相同的高度处
(hdiff＝0)，也可以在不同的高度处(hdiff》0)。这种多样的变形例当然也可从上述的本发明的一实施例导出。在该情况下，也保持磁场的各轴的成分的相位特性。
[0058]
如图12所示，若外部磁场造成附加影响，则在角度图上表现为偏移(offset)。在偏移(offset)介入的离轴(off-axis)的情况下，通过适当地考虑偏移的值，椭圆形的角度图也可变换为圆形。此时，由如下的公式简单表示：
[0059]
(公式2)
[0060]
在此，为变换为圆形的值，为椭圆形的值，为偏移值。是在用于变换为圆形的归一化过程中使用的参数。
[0061]
在数学上更严格地说，只要椭圆形是线性(linear)且连续性(continuous)的，则上述行列变换始终可以准确地变换为圆形或者可近似性(approximately)地变换为接近圆形的形状。参数通常是常数，根据情况也可以是适当的函数。
[0062]
按照各个步骤如下总结上述的变换过程。
[0063]
1.以旋转轴为中心的旋转磁铁的旋转步骤；
[0064]
2.检测传感器所在的原点的两个轴方向磁场的感应步骤；
[0065]
3.了解外部磁场的干扰程度的偏移计算步骤；
[0066]
4.基于在感应步骤中检测到信息提取参数的步骤；
[0067]
5.考虑参数变换检测到的信息的步骤；
[0068]
6.通过变换提取旋转角的步骤。
[0069]
在上述步骤中，偏移计算步骤在没有外部磁场干扰的情况下是不需要的步骤，旋转角提取步骤是指上述说明的反正切计算过程。
[0070]
从本发明的各种实施例可以知道：即使是旋转磁铁100的旋转轴脱离基板中心的延长线的离轴，无论旋转磁铁和基板的中心的距离是多少，都可提取旋转磁铁的角度；即使旋转磁铁的旋转平面的角度与传感器的中心点的三轴方向延长线构成任意的角度，也始终可以找到旋转角。
[0071]
另外，可以知道：如本发明的各种实施例，旋转磁铁存在于任意的位置时，仅是角度图的形状变为椭圆形或者中心脱离原点。
[0072]
从上述说明的本发明的各种实施例可以知道：旋转磁铁的旋转轴从磁传感器的中心或者中心的延长线、包括磁传感器的基板的中心或者中心延长线离开的离轴(off-axis)的情况下，不论离开的距离或者离开角度是多少，都可通过磁传感器检测磁场，因此可获取针对在三维空间中的运动的坐标与方位角等的信息。
[0073]
图13示例性示出了本发明的非接触式磁感应系统。
[0074]
旋转磁铁100的磁场被磁传感器210检测。磁传感器210将磁信号变换为相应的电信号。磁传感器210可用一个模块表示，并且包括x轴传感器、y轴传感器及z轴传感器中的至少一部分。上述的变换通过控制计算部230实现。磁传感器210及控制计算部230的一部分或者全部可被单独包括在基板。
[0075]
如上所述，需注意的是，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本发明的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。
[0076]
还需注意的是，在本发明的说明书全文中以“基板”记载的单词用作用于表示安装本发明的各种磁传感器并保持固定的状态的结构的意思。
[0077]
控制计算部230除了变换功能以外还可执行其他功能，例如信号的放大、调制、比较、模拟-数字转换(ad conversion)等的适当的功能。
[0078]
如上所述，根据本发明的实施例或者本发明的核心思想，可与安装有传感器的基板离开地安装旋转磁铁，进而在用作电子元件时可提高安装性，因此有利于变得轻、薄、小。
[0079]
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。